Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3g

Anten đơn cực

Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G

Xét cấu trúc của một anten đơn cực tiêu chuẩn Trong thực tế, anten đơn cực có chiều dài thỏa mãn một phần tư bước sóng.

Với tần số trung tâm f = 2 GHz, bước sóng của anten là:

Suy ra một phần tư bước sóng là:

Do mặt phẳng đất trong mô phỏng có độ dài hữu hạn, chiều dài anten được điều chỉnh còn 33 mm thay vì 37.5 mm để đảm bảo các thông số của anten Anten có chiều rộng 1 mm và độ dày 0.1 mm, được gắn vào một bản đồng (mặt phẳng đất) Cấu trúc anten này được thiết kế cho các thiết bị di động 3G, với mặt phẳng đất có chiều dài L được lựa chọn phù hợp.

= 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0.1 mm Hình 3.1 là hệ thống anten đơn cực và hình

3.2 là kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten đơn cực.

Ket qua mo phong VSWR cua anten don cuc

Ket qua mo phong tro khang vao cua anten don cuc

Hình 3.2: Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten đơn cực

Kết quả từ hình 3.2 cho thấy, tỉ số điện áp sóng đứng VSWR của anten đơn cực nhỏ hơn 2, với băng thông vượt quá 200 MHz Tại tần số 2 GHz, trở kháng vào đạt 68 Ω, đồng thời anten có chiều dài tương đối lớn Do đó, anten được thiết kế lại thành hình chữ L.

Anten chữ L

Anten hình chữ L có hai đoạn với kích thước l1 = 28 mm và l2 = 5 mm Các thông số khác tương tự như anten đơn cực, bao gồm chiều rộng w = 1 mm và độ dày t = 0.1 mm Anten được gắn vào một bản kim loại bằng đồng có kích thước dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0.1 mm.

LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Ket qua mo phong VSWR cua anten chu L

Ket qua mo phong tro khang vao cua anten chu L

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten chữ L

Kết quả từ hình 3.4 cho thấy, tỉ số điện áp sóng đứng (VSWR) của anten chữ L đạt giá trị nhỏ hơn 2, với băng thông vượt quá 200 MHz, và trở kháng vào tại tần số 2 GHz.

67 Ω và anten sau khi bẻ gập đạt kích cỡ nhỏ hơn Tiếp tục bẻ gập thành anten hình chữ F.

Anten chữ F

Anten hình chữ F có kích thước l 1 = 26.5 mm, l 2 = 6 mm, l 3 = 4 mm và l 4 = 16 mm Các thông số khác tương tự như anten đơn cực ở mục 3.2.1, với chiều rộng w = 1 mm và độ dày t = 0.1 mm Anten được gắn với một bản kim loại bằng đồng có kích thước dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0.1 mm.

Ket qua mo phong VSWR cua anten chu F

Ket qua mo phong tro khang vao cua anten chu F

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten chữ F

Kết quả từ hình 3.6 cho thấy, tỉ số điện áp sóng đứng VSWR của anten đơn cực nhỏ hơn 2, với băng thông lớn hơn 200 MHz Ở tần số 2 GHz, trở kháng vào đạt 65 Ω, và anten sau khi bẻ gập có kích thước nhỏ hơn so với anten đơn cực và anten chữ L trước đó.

Đồ án sẽ tập trung vào việc thiết kế cấu trúc anten PIFA, được tạo thành từ các đoạn vi dải với những hình dạng cơ bản, nhằm phục vụ cho ứng dụng trên các thiết bị di động 3G.

Mô phỏng anten PIFA

Giới thiệu sơ lược

Thiết bị cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và hữu ích cho việc giao tiếp cũng như tiếp nhận thông tin Xu hướng hiện nay là hướng đến các thiết bị di động nhỏ gọn, tiện lợi và nhẹ Để đáp ứng nhu cầu này, việc thu nhỏ kích thước các thiết bị, đặc biệt là anten, là rất cần thiết, nhằm đảm bảo các đặc tính bức xạ và băng thông vẫn được duy trì.

Nhiều nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc tiêu biểu của anten cho thiết bị cầm tay.

D Bonefacic đề xuất thiết kế anten vi dải nhỏ gọn với kích thước 30 × 12.9 × 5 mm³, tuy nhiên băng thông chỉ đạt 26 MHz Y Kim đã đưa ra hệ thống anten cho thiết bị cầm tay tương lai nhưng kích thước vẫn còn lớn K Skrivervik đã phát triển anten nhỏ hơn (23 × 14 × 5 mm³) cho thiết bị di động 3G N Q Dinh tối ưu hóa cấu trúc anten cho thiết bị 3G với kích thước tương tự và tiếp theo là thiết kế anten PIFA tối ưu với kích thước 21 × 14.5 × 4 mm³ Đồ án sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng anten PIFA trên mặt phẳng đất cho điện thoại, khảo sát băng thông từ 1.7 GHz đến 2.3 GHz, bao phủ băng tần 3G (1.9 GHz đến 2.17 GHz) Anten đề xuất có kích thước 20.7 × 14.5 × 3 mm³, nhỏ gọn và vẫn đảm bảo băng thông cần thiết.

Những yêu cầu chính của anten cho thiết bị di động 3G

Thiết bị 3G thường có kích thước 110 mm chiều dài, 60 mm chiều rộng và 12 mm độ dày Tại Việt Nam, hệ thống 3G hoạt động trong dải tần từ 1.9 GHz đến 2.17 GHz Các yêu cầu chính cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G bao gồm kích thước tiêu chuẩn và khả năng hoạt động hiệu quả trong dải tần này.

Kích thước anten đủ nhỏ để đặt trong thiết bị di động: độ cao nhỏ hơn 5 mm, độ dài và rộng nhỏ hơn 40 mm.

Trở kháng vào của anten có thể đạt 50 Ω ở tần số trung tâm để đảm bảo phối hợp trở kháng với feeder.

Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10% khi so sánh với tần số trung tâm, ≥ 200 MHz.

Cấu trúc anten PIFA

The proposed antenna structure by authors Nguyen Quoc Dinh and Ha Quoc Anh, as detailed in their 2014 paper "The Optimum Design of PIFA for the 3G Mobile Device," features a fixed antenna mounted on an FR4 substrate with a dielectric constant of ε = 4.4 and a loss tangent of tanδ = 0.02 The dimensions of the antenna are 40 × 14.5 × 4 mm³, and it is positioned on a ground plane measuring 80 × 40 × 0.1 mm³ This design is significant for enhancing performance in 3G mobile devices.

Anten được kết nối với mặt phẳng đất tại điểm nguồn và điểm đất, với thiết kế bao gồm các đoạn vi dải bằng đồng có chiều rộng 1 mm và độ dày 0.1 mm Kích thước tổng thể của anten là 21 mm chiều dài, 14.5 mm chiều rộng và 4 mm chiều cao Khoảng cách giữa điểm nguồn và điểm đất là 8.2 mm Các đoạn vi dải còn lại được cố định trên chất nền và song song với mặt đất, ngoại trừ những đoạn liên kết với mặt đất.

Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1 Anten có hình chữ L tạo bởi hai đoạn l 1 và l 2 ; có hai hình chữ U tạo bởi l 6 , l 7 và l 4 , s.

Bảng 1: Kích thước của anten chữ F (mm)

Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào

Kết quả mô phỏng trở kháng vào và VSWR của anten PIFA cho thấy trở kháng vào đạt 48 Ω tại tần số 2 GHz Anten có băng thông 500 MHz, tương đương 25% so với tần số trung tâm, với VSWR ≤ 2 Băng thông của anten trải dài từ khoảng 1.77 GHz đến 2.26 GHz, bao phủ băng tần 3G (270 MHz).

Một phương pháp cải thiện cấu trúc anten

Để cải thiện cấu trúc anten, cần áp dụng các phương pháp như bẻ, gập, phân khe và sử dụng chất nền FR4 để tăng độ cứng Để đảm bảo trở kháng vào của anten, việc điều chỉnh dòng điện thông qua thay đổi khoảng cách giữa điểm cấp nguồn và các điểm kết nối là cần thiết Bên cạnh đó, việc thêm các đoạn vi dải hình chữ U và L sẽ giúp thay đổi phân bố dòng của anten, từ đó điều chỉnh trở kháng vào và đảm bảo sự phối hợp trở.

Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G kháng Ngoài ra, anten được cải thiện vẫn phải đảm bảo mở rộng băng thông và kích thước nhỏ. Đồ án sẽ lần lượt trình bày qui trình thay đổi một vài thông số để đi đến cải tiến cấu trúc anten PIFA.

Chiều cao của anten PIFA được điều chỉnh từ h = 4 mm xuống h' = 3 mm, như thể hiện trong hình 3.9 Hình 3.10 minh họa kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi giảm chiều cao chất nền.

Hình 3.9: Anten PIFA sau khi hạ chiều cao h

Sau khi giảm chiều cao chất nền mà chưa áp dụng phương pháp phân khe, tần số trung tâm sẽ lệch khỏi 2 GHz, như thể hiện trong đồ thị.

Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau khi ha chieu cao chat nen 2

Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA khi thay doi l9

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi hạ chiều cao chất nền và khi thay đổi đoạn l 9

Sau khi áp dụng phương pháp phân khe với đoạn l9 và l10 có chiều dài 4.5 mm, chúng tôi đã khảo sát các giá trị l9 là 7.1 mm, 7.6 mm và 8.1 mm Kết quả mô phỏng cho thấy, với l9 = 7.6 mm, anten PIFA hoạt động ở tần số trung tâm 2 GHz và chỉ số VSWR nhỏ hơn 2, do đó l9 = 7.6 mm là giá trị tối ưu nhất.

Hình 3.11: Anten PIFA sau khi được phân khe

Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA khi thay đổi chiều dài w3 với các giá trị 21 mm, 20.7 mm và 20 mm cho thấy w3 tối ưu nhất là 20.7 mm Tại giá trị này, anten hoạt động với tần số trung tâm 2 GHz và VSWR đảm bảo nhỏ hơn 2.

Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau khi thay doi w3

Frequency (GHz) Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA khi thay doi chieu dai mat phang dat 2

Hình 3.12: Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi thay đổi w 3 và chiều dài mặt phẳng đất

Kích thước mặt phẳng đất của anten di động càng lớn càng tốt, nhưng do hạn chế về không gian trong điện thoại, kích thước này cần được giảm mà vẫn đảm bảo các thông số kỹ thuật của anten Hình 3.12 minh họa kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA khi thay đổi chiều dài mặt phẳng đất từ 80 mm xuống 70 mm và 60 mm Kết quả cho thấy, với chiều dài mặt phẳng đất 70 mm, anten vẫn hoạt động hiệu quả ở tần số trung tâm 2 GHz và VSWR nhỏ hơn 2.

Sau khi điều chỉnh chiều cao h và phân khe cho anten với hai đoạn l9 và l10, chúng tôi đã giảm chiều dài w3 của anten cũng như chiều dài mặt phẳng đất, từ đó phát triển cấu trúc anten PIFA cải tiến.

Cấu trúc anten sau cải tiến

Anten sẽ được thiết kế với cấu trúc gắn cố định trên chất nền FR4 có kích thước 40 × 14.5 × 3 mm³, với ε = 4.4 và tanδ = 0.02 Cả anten và chất nền sẽ được đặt trên mặt phẳng đất có kích thước 70 × 40 × 0.1 mm³, như thể hiện trong Hình 3.13a.

(b) Hình 3.13: Anten PIFA sau cải tiến

Anten được kết nối với mặt phẳng đất thông qua điểm nguồn và điểm đất, với thiết kế bao gồm các đoạn vi dải bằng đồng có chiều rộng 1 mm và độ dày 0.1 mm Kích thước tổng thể của anten là 20.7 mm chiều dài, 14.5 mm chiều rộng và 3 mm chiều cao Khoảng cách giữa điểm nguồn và điểm đất là 8.2 mm Các đoạn vi dải còn lại được cố định trên chất nền và song song với mặt đất, trừ những đoạn liên kết với mặt đất.

Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1 Anten có hình chữ L tạo bởi hai đoạn l 1 và l 2 ; có hai hình chữ U tạo bởi l 9 , l 10 và l 4 , s.

Bảng 2: Kích thước của anten PIFA sau cải tiến (mm)

Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau cai tien

Ket qua mo phong tro khang vao cua anten PIFA sau cai tien 70

Hình 3.14: VSWR và trở kháng vào của anten PIFA sau cải tiến

Kết quả mô phỏng trở kháng vào và VSWR sau khi cải thiện được thể hiện trong Hình 3.14 Trở kháng vào đạt khoảng 44 Ω tại tần số 2 GHz, trong khi băng thông của anten vượt quá 600.

Băng thông của anten đạt được mức độ rộng nhất khi so sánh với các thiết kế trong các nghiên cứu trước, với MHz lớn hơn 30% so với tần số trung tâm và VSWR không vượt quá 2 Điều này cho phép anten bao phủ băng tần 3G với băng thông lên tới 270 MHz.

So sánh kết quả đạt được của anten sau cải tiến:

+Kích thước anten nhỏ hơn (20.7 × 14.5 × 3 mm 3 ).

+Kích thước mặt phẳng đất nhỏ hơn chỉ còn dài 70 mm.

+Băng thông rộng hơn và vẫn đảm bảo bao phủ băng tần 3G.

Tiêu đề	Mô Phỏng Anten PIFA Cho Thiết Bị Di Động 3G
Tác giả	Nguyễn Thanh Hằng
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	đồ án
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	1,34 MB

Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3g

Anten đơn cực

Anten chữ L

Anten chữ F