Báo cáo môn học phân tích thiết kế hệ thống đề tài thiết kế antten thông minh

1

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện Tử
––––(–)––––

BÁO CÁO MƠN HỌC

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Đề tài :
Thiết kế antten thông minh

Giáo viên hướng dẫn : TS. Tống Văn Luyên
Sinh viên thực hiện

:

Hà Thị Kim Lanh - KTMT1
Nguyễn Thị Thơm - KTMT1
Vũ Hà Hưng –KTMT1
Hà Nội 10/2019


2

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, chúng ta đã và đang đứng trước sự phát triển mạnh mẽ không
ngừng của ngành công nghiệp viễn thơng. Trong đó, khơng thể khơng kể đến
thơng tin vô tuyến đã phát triển và đạt được nhiều thành tựu đáng kể, thông tin
vô tuyến ngày nay không ngừng được nghiên cứu để cải tiến về dịch vụ và chất
lượng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Nhắc đến thông

tin vô tuyến không thể nào không nhắc đến một trong các thành phần quan trọng
bậc nhất của lĩnh vực vơ tuyến đó là về anten. Trong thông tin vô tuyến, anten là
một hệ thống cho phép truyềnvà nhận năng lượng trường điện từ. Anten cũng có
thể được xem như là một thiếtbị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa
máy phát và máy thu mà không cần bất cứ phương tiện truyền dẫn tập trung
nào: như cáp đồng, cáp quang hay ống dẫn sóng. Trong nhiều ứng dụng, anten
hồn tồn có thể so sánh được với các phương tiện truyền dẫn khác để chuyển
tải năng lượng trường điện từ. Chính do “hiệu ứng da” nên việcsử dụng dây dẫn
để truyền tải thông tin trở nên kém hiệu quả trong các hệ thống thông tin tần số
cao, lúc này anten càng thể hiện được sự vượt trội của mìnhtrong việc trong việc
chuyển tải các trường điện từ. Đặc biệt trong các hệ thống thông tin ở các khu
vực có địa hình phức tạp hoặc các khu vực ít dân cư, việcxây dựng các hệ thống
hữu tuyến trở nên tốn kém và khó khăn thì thông tin vô tuyến được chọn là giải
pháp tối ưu. Sóng trường điện từ chi phối hoạt động của anten được mơ tả bởi
phương trình Maxwell. Các phương trình này được thiết lập bởi Maxwell vào
năm 1876, ông đã thống nhất các định lý trước đó của Faraday, Ampere và
Gauss và cho thấy rằng vận tốc truyền lan sóng điện từ bằng với vận tốc ánh
sáng. Các bước phát triển của anten qua các giai đoạn từ giai đoạn hình thành
cho đến nay. Năm1886,nhà vật lý người Đức- Heinrich Hertz đã kiểm tra bằng
thí nghiệm sự tồn tại của sóng điện từ, ông đã phát triển các lưỡng cực đơn giản
và các anten vòng. Năm1987, nhà vật lý người Nga-Alexander Popov đã phát
triển tuyến anten đầu tiên và có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách ba dặm.
Năm1901,Guglielmo Marconi ông đã thành công với hệ thống thông tin vô


3
tuyến xuyên Đại Tây Dương với tần số hoạt động là 60Khz. Năm1916, lần đầu
tiên sử dụng kỹ thuật điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói. Năm1920, việc tạo
ra các tín hiệu có tần số cao lên đến 1Mhz nên làm cho các anten có kích thước
nhỏ về điện. Năm1930, các nguồn dao động cao tần được tao ra với tần số lên

đến dãy Ghz. Năm1934, hệ thống vô tuyến điện thoại thương mại đầu tiên được
tạo ra hoạt động giữa Anh và Pháp với tần số hoạt động 1.8Ghz. Năm19401945, đạt được nhiều kết quả nghiên cứu trong việc phát triển radar, các mảngvà
các anten thấu kính. Năm1945 đến nay, kỷ nguyên của anten hiện đại. Anten
hiên đại cho phép phân phốicác tín hiệu vơ tuyến trên phạm vi tồn thế giới, cho
phép thơng thoại có tính tồn cầu nhanh chóng. Các ứng dụng trong cơng nghệ
thơng tin vệ tinh, và sự bùng nổ của công nghệ viễn thông dẫn đến lĩnh vực
anten đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Chính vì sự quan trọng của
anten trong viễn thơng nói chung và trong thơng tin vơ tuyến nói riêng, những
người thực hiện đề tài đã chọn đề tài “ Thiết kế anten thông minh”.


4

MỤC LỤC

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1. Tổng quan tề tài nghiên cứu
- Giới thiệu chung: khái niệm, đặc điểm kỹ thuật cơ bản và ứng dụng- -Tài liệu
và tham khảo
2. Cơ sở kỹ thuật
- Sơ đồ khối và chức năng
- Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động
3. Thiết kế:
- Tổng quan
- Các thông số cơ bản của anten
- Bài tốn thực tế
- Trình tự thiết kế
4. Thực thi thiết kế: Trên mơ hình và mơ phỏng hoặc phần cứng
-Kiểm chứng, tối ưu và đánh giá kết quả
-Báo cáo tổng kết đề tài.

5

CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Giới thiệu chung
Khái quát
a) Giới thiệu beamforming

1.1.1.

Beamforming là cơng nghệ sóng giúp hướng sóng vào một mục tiêu cụ thể
thay vì lan tỏa trong cả một khu vực. Thông thường, bộ định tuyến phát sóng
WiFi theo mọi hướng. Với Beamforming, nó sẽ xác định thiết bị ở đâu và truyền
sóng theo hướng đó. Beamforming đã nằm trong tiêu chuẩn bộ định tuyến WiFi
IEEE
802.11ac
thế
hệ
mới.

Hình 1.1 Hệ thống beanforming
b) Giới thiệu về anten
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten
thu) từ khơng gian bên ngồi được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc
chuyển tiếp giữa khơng gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể

hiện trong hình 1.2. Thơng thường giữa máy phát và anten phát, giữa máy thu
và anten thu không nối trực tiếp với nhau và được ghép với nhau qua đường
truyền năng lượng điện từ, gọi là feeder. Trong hệ thống nayfy máy phát có
nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo
feeder tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ
nhận sóng điện từ tự do từ khơng gian bên ngồi và biến đổi chúng thành sóng
điện từ ràng buộc. Sóng này được truyền theo feeder tới máy thu. Yêu cầu của
thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với
hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu.


6

Hình 1.2 Anten như một thiết bị truyền sóng
Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thống
không dây thuwognf được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo
một hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác. Do đó anten có vai trị
như một thiết bị bức xạ hướng tính. Hơn nữa anten cũng phải có hình dạng khác
nhau để phù hợp với các mục đích cụ thể.
1.1.2.
Lịch sử:
- Trước đây Beamforming là một phần của 802.11n, yêu cầu cả bộ định
tuyến và thiết bị phải hỗ trợ cùng một kiểu Beamforming. Vì khơng có
chuẩn chung nên các nhà sản xuất thiết bị tự do thay đổi theo ý mình, khó
mà có được sự tương thích.
- Nhưng với chuẩn 802.11ac thì vấn đề này đã được khắc phục. Có một
chuẩn chung cho Beamforming và các thiết bị 802.11ac, như bộ định
tuyến hay laptop của bạn chẳng hạn, có thể chạy với nhau dễ dàng.
- Beamforming là một phần của 802.11ac khơng có nghĩa là mọi thiết bị
802.11ac đều hỗ trợ Beamforming, nhưng nếu có, chúng sẽ ở dưới dạng

chuẩn.
- Beamforming có thể hoạt động được là nhờ các bộ thu - phát sử dụng
công nghệ MIMO. Dữ liệu được gửi và nhận bằng nhiều ăng-ten để tăng
số lượng cũng như khoảng cách truyền dữ liệu. MIMO lần đầu được giới
thiệu trong chuẩn 802.11n và vẫn là tính năng quan trọng trong 802.11ac.
1.1.3.
Đặc điểm kĩ thuật
- Trong một ăng ten mảng, dịng tần số vơ tuyến từ máy phát được đưa đến
các ăng ten riêng lẻ có mối quan hệ pha chính xác để các sóng vơ tuyến
từ các ăng ten riêng biệt cộng lại với nhau để tăng bức xạ theo hướng
mong muốn, đồng thời hủy bỏ bức xạ không mong muốn hướng.


7
- Trong một mảng theo pha, năng lượng từ máy phát được cung cấp cho
anten thông qua các thiết bị gọi là bộ dịch pha, được điều khiển bởi hệ
thống máy tính, có thể thay đổi pha điện tử, do đó điều khiển chùm sónag
vơ tuyến sang hướng khác. Do mảng phải bao gồm nhiều ăng ten nhỏ (đôi
khi hàng nghìn) để đạt được mức tăng cao, các mảng theo pha chủ yếu là
thực tế ở đầu tần số cao của phổ vơ tuyến, trong đó các phần tử ăng ten
rất nhỏ.
1.1.4.
Ứng dụng:
- ứng dụng để thiết kế để loại bỏ chức năng từ các hướng không mong
muốn và nhận được năng lượng một cách nhạy cảm nhất từ các hướng
khác
- cung cấp hệ thống cảnh báo khác cuối cùng cho cơn lốc xoáy và thời tiết
nguy hiểm khác
- ứng dụng trong ô tô để phát hiện và xác định người đi bộ
- cho phép các đài truyền hình hướng tín hiệu của họ về phía khu vực

người nghe trên các đài phát thanh.

1.2.

Tài tham khảo

 Antenna theory annalysis and design_NKH.Constantine A.Balanis
 Lý thuyết và kỹ thuật anten_GS TS Phan Anh
 Nghiên cứu và phát triển các bộ định dạng và điều khiển búp sóng

thích nghi để chống nhiều trong các anten thông minh_ TS Tống
Văn Luyên


8

CHƯƠNG 2.
2.1.

CƠ SỞ KỸ THUẬT

Sơ đồ khối và chức năng của beanforming

2.1.1.

Sơ đồ khối

• Khuếch đại: làm tăng mức tín hiệu hoặc cơng suất bức xạ cho cả tín hiệu
truyền và nhận
• Trực tiếp: hướng tín hiệu tập chung theo một hướng tạo ra mức tăng ăngten

• Giảm thiểu nhiễu: loại bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu cho các tín hiệu đến từ
hướng ăng ten khơng hướng tới.
• Steerible(chỉ đạo): hướng của tín hiệu có thể được thay đổi bằng điện tử
để tối ưu hóa chức năng.
2.1.2.
Chức năng
Có hai chức năng trong một hệ thống thông tin liên lạc.
 -Khi kết nối với máy phát, nó thu thập các tín hiệu AC và gửi thẳng, hoặc
phát xạ sóng RF đi theo mơ hình cụ thể cho từng loại ăng-ten.
 -Khi kết nối với máy thu, anten lấy sóng RF mà nó nhận được và gửi tín
hiệu AC cho máy thu.
 -Việc truyền RF của một anten thường được so sánh hoặc tham chiếu đến
một bộ bức xạ đẳng hướng.
 -Có hai cách để tăng công suất phát ra một ăng-ten.
 -Tạo ra công suất mạnh hơn tại máy phát (không ưu tiên vì tốn kém).
 -Truyền hoặc hội tụ tín hiệu RF được phát xạ từ anten.

2.2.

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động

2.2.1.

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động


9

Cấu trúc đơn giản của bộ BF số ở phía thu được biểu diễn trong Hình 1.4. Các
bộ BF thực hiện tác động trọng số vào các tín hiệu thu được nhằm làm thay đổi

biên độ và pha của chúng sao cho các tín hiệu này được tổng hợp thành một tín
hiệu đầu ra mong muốn. Các bộ BF số có thể thay đổi giá trị của các trọng số
(w) nhằm hướng búp sóng chính về hướng mong muốn và thay đổi búp sóng để
tối ưuhiệu năng của hệ thống. Như vậy, sự linh hoạt của các bộ BF số cho phép
thực thi các bộ BF thích nghi có khả năng thay đổi đáp ứng của nó một cách tự
động theo các điều kiện khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
2.2.2.
Hoạt động
- tín hiệu cao tần thu được từ mảng anten sẽ được chuyển xuống trung tần (IF).
Sau đó, tín hiệu IF được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ khối ADC. Tín hiệu số
này được chuyển đổi xuống tốc độ phù hợp với khả năng xử lý và hiệu chuẩn.
Tiếp theo, tại BF, hướng của tín hiệu cần thu được xác định thơng qua khối
DOA. Căn cứ vào đó, các thuật tốn BF sẽ giúp khối điều khiển BF tạo ra các
trọng số phù hợp tác động vào từng tín hiệu thu được từ từng phần tử anten sao
cho tín hiệu tổng hợp thu được tại đầu ra là tốt nhất tại khối BF. Cuối cùng tín
hiệu thu được sẽ được đưa tới khối xử lý tín hiệu băng gốc để thu được thơng
tin chính xác mà bên phát đã gửi đi.Tương ứng như trên, q trình phát tín hiệu
diễn ra theo chiều ngược lại.


10

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG
ANTEN HÌNH CHỮ NHẬT
3.1.

Tổng quan

Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt bức xạ,mặt phẳng đất và lớp
điện môi ở giữa 2 mặt kim loại trên.kích thước của mặt bức xạc,chiều cao và hệ

số điện môi la những thông số quyết định tần số cộng hưởng của anten, nên
chúng phải được lựa chọn và tính tốn chính xác.

Hình 3.3 Sơ đồ mơ phỏng mảng hình chữ nhật của anten..

3.2.

Các thơng số cơ bản của anten

− Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten.Anten luôn làm
việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó cơng suất bức xạ của anten là lớn
nhất.
− Hệ số định hướng của anten theo hướng cực đại được định nghĩa bằng tỷ
số cường dộ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độ
trường bức xạ của một anten chuẩn cùng ở vị trí tương ứng (D). Hệ sơ
tăng ích(Độ lợi) của anten( G=e,D), trong đó e là hiệu suất bức xạ của
anten.
− Trở kháng vào của anten


11
Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng,
Thông thường trở kháng đặc tính của feeder là để phối hợp trở kháng
− Hệ số tổn hao RL(dB) đánh giá mức độ phản xạ của sóng tại điểm phối
kết nối anten với feeder
− Hệ số sóng đứng SWR đánh giá mức độ khơng phối hợp trở kháng giữa
anten và feeder
*Trong đó:
W là chiều rộng mặt bức xạ;
L là chiều dài mặt bức xạ;

h là bề dày của lớp diện môi;
Wg là chiều rộng mặt phẳng đất
Lg là chiều dài của mặt phẳng đất

Hình 3.4 Hình ảnh biể diễn thơng số

3.3.

Bài tốn thực tế

Đề bài: Chọn vật liệu chế tạo anteen là tấm mạch in 2 mặt có
Biết: Số điện mơi 4.5, độ dày h=1.6mm, giải tần số GSM: =1900MHz,
c=3x10^8(m/s)( vận tốc ánh sáng)
Giải bài tốn
Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo cơng thức:
W==48(mm)
Hệ số điện môi hiệu dụng:


12
Độ dài hiệu dụng của anten được xác định theo cơng thức:
Độ tăng độ dài được tính theo cơng thức:
Độ dài thực của mặt bức xạ được tính bởi cơng thức:

Kích thước của mặt phẳng đất (và) được xác định theo cơng thức:

3.4.

Trình tự thiết kế

Bước 1: Tạo các khối chức năng.
Bước 2: Điều chỉnh thông số của các khối.
Bước 3: Chạy với kiểu hình chữ nhật (rectangular).
Bước 4: Đưa ra kết quả của kiểu hình chữ nhật ,hình lục giác,hình trịn
Bước 5: Nhận xét và đánh giá mơ phỏng

CHƯƠNG 4. THỰC THI THIẾT KẾ
TRÊN ỨNG DỤNG SYSTEMVUE
4.1.

Thực thi thiết kế anten hình chữ nhật

Bước 1: Tạo các khối chức năng.


13

Hình 4.5 Tạo khối đầu vào

Hình 4.6 Tạo khối khuếch đại


14

Hình 4.7 Tạo khối điều khiển trọng số

Hình 4.8 Tạo khối điều khiển mảng anten


15

Hình 4.9. :Tạo khối hiện thị

Hình 4.10 Sơ đồ khối

Bước 2: Điều chỉnh thông số của các khối.


16

Hình 4.11 Thơng số khối đầu vào

Hình 4.12 Thống số khối khuếch đại


17

Hình 4.13 Thơng số khối điều khuyển trọng số

Hình 4.14 Thông số khối điều khuyển mảng


18

Hình 4.15 Thơng số khối hiện thị búc xạ anten

Hình 4.16 T hông số khối hiện thị mảng anten.


19

Bước 3: Chạy với kiểu hình chữ nhật (rectangular).

Hình 4.17 Chạy mơ phỏng kiểu hình chữ nhật

4.2.

Kết quả và nhận xét

4.2.1.

Rectangular array

Hình 1: giản đồ bức xạ của mảng anten hình chữ nhật và hiển thị 64 mảng anten
xếp theo hình chữ nhật


20
4.2.2.

Hexagonal Array (aka "triangular")

Hình 2: giản đồ bức xạ của mảng anten hình lục giác và hiển thị 64 mảng anten
xếp theo hình lục giác
4.2.3.

Circular array

Hình 3: giản đồ bức xạ của mảng anten hình trịn và hiển thị 64 mảng anten xếp
theo hình trịn

*nhận xét :
 Hình 1:


21
- Góc quét: � = 0◦ và � = 90◦
- Hệ số tổn hao: -5.16 dB10
- Hướng sóng: phần năng lượng (phần màu đỏ) trong giản đồ bức xạ tập
trung lớn tại một hướng. nhưng vẫn có một phần năng lượng đi ra các
hướng bên ngoài. Phần nhiễu (phần màu xanh) cịn nhiều.
- Tính tốn tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn => Dễ dàng thực hiện
 Hình 2:
- Góc qt: � = 0◦ và � = 90◦
- Hệ số tổn hao: -5.2 dB10
- Hướng sóng: phần năng lượng (phần màu đỏ) trong giản đồ bức xạ tập
trung lớn tại một hướng. nhưng vẫn có một phần ít năng lượng đi ra các
hướng bên ngoài. Phần nhiễu (phần màu xanh) cịn nhiều.
- Tính tốn tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn => Dễ dàng thực hiện
 Hình 3:
- Góc qt: � = 0◦ và � = 90◦
- Hệ số tổn hao: -5.6 dB10
- Hướng sóng: phần năng lượng (phần màu đỏ) trong giản đồ bức xạ tập
trung lớn tại một hướng. nhưng vẫn có nhiều phần năng lượng đi ra các
hướng bên ngoài. Phần nhiễu (phần màu xanh) cịn nhiều.
- Tính tốn tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn => Dễ dàng thực hiện


22

4.3.

Đánh giá

Nếu SWR quá lớn làm cho tín hiệu tệ hơn và trở nên không ổn định , nên sử
dụng định nghĩa chặt chẽ hơn về băng thông ăng ten. Do đó, ít hơn băng thơng
dB 10 dB được sử dụng. Các mẫu biên độ trường xa dọc theo mặt phẳng trường
điện (E) (nghĩa là thena khi � = 0◦) và mặt phẳng trường từ (H) (nghĩa là E� khi
� = 90◦). Các mơ hình trường xa của mặt phẳng H từ hai mơ hình khớp gần như
hồn hảo; tuy nhiên, mẫu trường xa của mặt phẳng E, hiển thị tối đa ở � = 5◦ và
null tại = 90◦.