TỔNG QUAN VỀ ANTEN
Giới thiệu chương
Chương mở đầu sẽ trình bày các nội dung cơ bản của anten bao gồm:
+ Một vài loại anten: anten dây, anten miệng, anten vi dải
+ Các tham số cơ bản của anten: băng thông, sự phân cực, trở kháng vào, mô hình bức xạ, hệ số định hướng, độ lợi.
Giới thiệu về anten
Anten là thiết bị quan trọng trong việc phát và nhận sóng điện từ, bao gồm anten phát và anten thu Nó đóng vai trò là cầu nối giữa thiết bị dẫn sóng và không gian tự do, giúp truyền tải thông tin hiệu quả.
Hình 1.1: Mạch tương đương cho hệ thống anten phát [4]
+ Zg: trở kháng nguồn + Rr: điện trở bức xạ + RL: điện trở tải + XA: điện kháng anten Trở kháng anten: ZA= (RL + Rr) + jXA (1.1)
Mạch tương đương cho hệ thống anten phát được mô tả với nguồn là bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn có trở kháng đặc trưng Zc, và anten được biểu diễn bởi tải ZA = (RL + Rr) + jXA Trong đó, điện trở RL thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn, còn điện trở bức xạ Rr thể hiện sự bức xạ sóng điện từ Điện kháng XA là phần ảo của trở kháng anten Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng từ nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới Rr, nhưng trong thực tế, luôn có mất mát do điện môi, vật dẫn, và phản xạ do phối hợp trở kháng không hoàn hảo tại điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten.
Sóng phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và anten tạo ra sóng đứng, dẫn đến sự hình thành các nút và bụng sóng trên đường truyền Nếu anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể trở thành một thành phần lưu giữ năng lượng thay vì truyền năng lượng hiệu quả Cường độ trường cực đại của sóng đứng có thể gây hại cho đường truyền dẫn Tổng mất mát năng lượng phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng Để giảm thiểu mất mát, cần giảm điện trở RL và phối hợp trở kháng giữa tải (anten) với trở kháng đặc trưng của đường truyền.
Mạch tương đương cho hệ thống anten thu tương tự như mạch tương đương cho hệ thống anten phát, với sự thay thế nguồn bằng bộ thu Tất cả các thành phần khác vẫn giữ nguyên Điện trở bức xạ Rr phản ánh khả năng thu năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền đến anten.
Một vài loại anten
Anten dây là thiết bị quen thuộc, xuất hiện phổ biến trên xe ô tô, trong tòa nhà, tàu và máy bay Các cấu hình của anten dây bao gồm lưỡng cực (dipole), vòng tròn hoặc vuông (circular/square loop) và xoắn (helix) Anten vòng không chỉ có dạng tròn, mà còn có thể có hình chữ nhật, hình vuông, hình elip hoặc bất kỳ cấu hình nào khác, với dạng tròn là phổ biến nhất do sự đơn giản trong thiết lập.
Hình 1.2: Các cấu hình của anten dây [4]
Anten miệng ngày càng phổ biến do nhu cầu tăng cao cho các thiết bị anten tinh vi và tần số cao Loại anten này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ, nhờ khả năng gắn kết thuận tiện vào vỏ của chúng Ngoài ra, anten miệng có thể được bọc bằng vật liệu điện môi để bảo vệ khỏi các điều kiện môi trường khắc nghiệt Các cấu hình của anten miệng bao gồm loa kim tự tháp, loa nón và ống dẫn sóng hình chữ nhật.
Hình 1.3: Các cấu hình của anten miệng [4]
Anten vi dải là loại anten bao gồm một miếng kim loại (patch) trên bề mặt đất, với nhiều cấu hình như hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hình tam giác, hình quạt, hình vòng tròn và hình một phần của vòng tròn Trong số này, các miếng hình chữ nhật và hình tròn được ưa chuộng nhất do đặc tính bức xạ tốt và dễ chế tạo Anten vi dải thích hợp cho cả bề mặt phẳng và không phẳng, có chi phí sản xuất thấp và sử dụng công nghệ mạch in hiện đại Chúng rất linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực sóng và phối hợp trở kháng, có thể được lắp đặt trên máy bay, tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa, xe hơi và cả điện thoại di động.
Hình 1.4: Các hình dạng patch của phần tử vi dải [4]
Hình 1.5: Các patch anten hình chữ nhật và hình tròn [4]
Các thông số cơ bản của anten
Băng thông là dải tần số mà các thông số của anten, như trở kháng vào, mô hình bức xạ và độ rộng chùm, đạt giá trị chấp nhận được Đây là một trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá và lựa chọn anten phù hợp.
Băng thông của anten dải rộng được xác định bởi tỉ số giữa tần số tối đa (fmax) và tần số tối thiểu (fmin) khi anten hoạt động trong các đặc tính chấp nhận được Chẳng hạn, băng thông 10:1 có nghĩa là tần số tối đa lớn hơn 10 lần so với tần số tối thiểu.
Anten dải hẹp có băng thông được xác định bằng tỷ lệ phần trăm của sự sai khác tần số so với tần số trung tâm Chẳng hạn, băng thông 5% cho thấy sự sai khác tần số là 5% so với tần số trung tâm của băng thông.
Phân cực của anten theo một hướng xác định là phân cực của sóng được truyền đi Khi không chỉ rõ hướng, phân cực được coi là theo hướng có độ lợi tối đa Sự phân cực của sóng bức xạ được thể hiện qua đầu mút của vector điện trường tức thời, cùng với hướng mà nó vạch ra khi quan sát theo hướng truyền sóng Đường vạch do đầu mút của vector điện trường tạo ra là hàm của thời gian, như được thể hiện trong hình 1.6 a và b.
Hình 1.6: Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip [4]
(a) Sự quay của vector điện trường (b) Phân cực elip ở z = 0
Phân cực được chia thành ba loại: tuyến tính, tròn và ellip Khi đầu mút vector điện trường luôn hướng theo một đường thẳng, nó được gọi là phân cực tuyến tính Trong trường hợp tổng quát, nếu đầu mút vector vạch ra một elip, trường này được gọi là phân cực ellip Cả phân cực tuyến tính và tròn đều là những trường hợp đặc biệt của phân cực ellip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ được gọi là phân cực phải, trong khi quay ngược chiều kim đồng hồ được gọi là phân cực trái.
Trường tức thời của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm trục z, có thể được biểu diễn như sau: ˆ ˆ ( ; ) z t a x x ( ; ) z t a y y ( ; ) z t
Các thành phần tức thời có quan hệ với các thành phần phức của nó bởi:
( ; ) Re Re cos j t kz x j t kz x x xo xo x z t E e E e
( ; ) Re Re cos j t kz y j t kz y y yo yo y z t E e E e
Với Exo và Eyo tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục x và y
1.4.2.1 Phân cực thẳng Để sóng bức xạ phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa hai thành phần là:
Phân cực tròn xảy ra khi biên độ của hai thành phần sóng tương đương nhau và sự khác pha giữa chúng là một số lẻ lần π/2.
Nếu hướng truyền sóng bị đảo ngược (ví dụ, theo hướng +z), các độ lệch pha trong (1.9) và (1.10) cho hướng CW và CCW phải trao đổi cho nhau
Phân cực elip xảy ra khi độ lệch pha giữa hai thành phần là số lẻ lần π/2 và biên độ của chúng không bằng nhau, hoặc khi độ lệch pha không phải là bội số của π/2, không cần quan tâm đến biên độ.
Với n = 0, 1, 2, 3 , phân cực elip tạo ra một đường cong quét tại một vị trí cố định theo thời gian Tỉ lệ giữa bán trục lớn và bán trục nhỏ được gọi là tỷ lệ trục (Axial Ratio - AR).
2 xo yo xo yo xo yo
2 xo yo xo yo xo yo
OB E E E E E E (1.18) Độ nghiêng của elip, có quan hệ với trục y, được thể hiện bởi góc :
Khi elip thẳng với trục chính n / 2, n 0,1, 2, , trục chính (phụ) bằng với
E E hoặc E yo ( E xo ) và tỉ lệ trục bằng E xo / E yo hoặc E yo / E xo
Trở kháng vào của anten là tỉ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm đầu vào, hoặc tỉ số giữa các thành phần điện trường và từ trường tại một điểm cụ thể Việc xác định trở kháng của anten là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
ZA = RA + jXA (1.20) Trong đó:
+ ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω)
+ RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω)
+ XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω)
Thành phần điện trở trong (1.20) bao gồm 2 thành phần là:
RA = RR + RL (1.21) Trong đó:
+ RR là điện trở bức xạ của anten
+ RL điện trở tải của anten
Trở kháng vào của anten là một hàm tần số, vì vậy anten chỉ hoạt động hiệu quả với đường tiếp điện trong một dải tần nhất định Ngoài ra, trở kháng vào còn phụ thuộc vào hình dạng anten, phương pháp tiếp điện và ảnh hưởng từ các đối tượng xung quanh Do tính phức tạp của anten, chỉ một số ít được nghiên cứu và phân tích, trong khi các loại anten khác thường phải xác định trở kháng vào thông qua thực nghiệm.
Các tín hiệu vô tuyến phát ra từ anten tạo thành một trường điện từ với giản đồ xác định, thể hiện đặc tính định hướng của anten Đặc tính bức xạ bao gồm mật độ công suất, cường độ bức xạ, độ mạnh trường, hệ số định hướng, pha và phân cực sóng Sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian hai chiều hoặc ba chiều phụ thuộc vào vị trí quan sát dọc theo một đường hoặc bề mặt có bán kính không đổi Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hoặc biểu diễn đồ họa các đặc tính bức xạ và được xác định bởi các tọa độ không gian Thông thường, giản đồ bức xạ được nghiên cứu trong trường xa.
Hình 1.7: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [4]
Trong thực tế, giản đồ 3D có thể được biểu diễn bằng hai giản đồ 2D Thông thường, việc xem xét giản đồ dưới dạng hàm của biến θ với một số giá trị đặc biệt của φ, cùng với giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ, là đủ để cung cấp hầu hết thông tin cần thiết.
Hệ số định hướng của anten là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ theo một hướng cụ thể và cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường độ bức xạ trung bình được tính bằng tổng công suất bức xạ chia cho 4π Khi không xác định được hướng, cường độ bức xạ cực đại sẽ được sử dụng Nói một cách đơn giản, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ theo một hướng nhất định (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (Uo).
(1.22) Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau: max max max max
+ D0 là hướng tính cực đại
+ U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)
+ Umax là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc)
+ U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc)
+ Prad là tổng công suất bức xạ (W)
Với nguồn đẳng hướng, từ (1.22) hay (1.23) ta nhận thấy rằng hướng tính bằng
1 khi U, Umax và U0 bằng nhau
Độ lợi (Gain) là một đơn vị quan trọng để đánh giá hiệu suất của anten, liên quan đến hệ số định hướng và khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ phản ánh đặc tính hướng tính, độ lợi được xác định thông qua việc so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực với anten chuẩn (thường là anten đẳng hướng) tại cùng một hướng và khoảng cách, với giả thiết rằng công suất đầu vào của cả hai anten là như nhau Anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, không có tổn hao.
Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng được tính bằng cách chia công suất đặt vào anten cho 4π Giả thiết rằng anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, công suất bức xạ sẽ tương đương với công suất đặt vào anten.
G = Cường độ bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát / Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng
Tổng công suất bức xạ (Prad) có quan hệ với tổng công suất đặt vào anten (Pin) bởi: rad cd in
P e P (1.25) Trong đó, ecd là hiệu suất bức xạ của anten
Thay công thức (1.22) vào, ta có:
G e D (1.27) Giá trị cực đại của độ lợi có quan hệ với hệ số định hướng cực đại như sau: max max
G G e D e D (1.28) Thông thường, độ lợi được biểu diễn theo dB nên:
Kết luận chương
Chương mở đầu giới thiệu khái niệm cơ bản về anten, thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc nhận sóng vô tuyến, cùng với một số loại anten phổ biến như anten dây, anten miệng và anten vi dải Bài viết cũng đề cập đến các thông số quan trọng của anten, bao gồm băng thông, phân cực sóng, trở kháng vào, mô hình bức xạ, hệ số định hướng và độ lợi, nhằm mô tả hoạt động của anten trong thiết kế và đo lường Chương tiếp theo sẽ đi sâu vào chi tiết về anten vi dải và anten PIFA.
ANTEN VI DẢI
Giới thiệu chương
Chương tiếp theo trình bày các nội dung cơ bản của anten vi dải, đồng thời giới thiệu về anten PIFA bao gồm các nội dung sau:
+ Giới thiệu chung về anten vi dải và các loại anten vi dải + Cấu trúc anten PIFA
Anten vi dải
Khái niệm anten vi dải được giới thiệu lần đầu bởi Deschamps vào năm 1953 và được phát triển thêm bởi Gutton và Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên, phải đến 20 năm sau, việc chế tạo anten vi dải mới thực sự bắt đầu, nhờ vào sự xuất hiện của các chất nền có đặc tính tốt.
Anten vi dải cơ bản nhất bao gồm một patch phát xạ trên một mặt của chất nền điện môi, với mặt còn lại là mặt phẳng đất Patch, thường được làm bằng đồng hoặc vàng, có thể có nhiều hình dạng khác nhau, nhưng các hình dạng truyền thống vẫn được ưa chuộng Hằng số điện môi của chất nền là yếu tố quyết định cho hiệu suất hoạt động của anten, ảnh hưởng đến trở kháng, tần số cộng hưởng, băng thông và hiệu suất tổng thể của anten.
Hình 2.1: Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất [5] Ưu điểm của anten vi dải
+ Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo
+ Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng
+ Dễ dàng được gắn lên các đối tượng khác
+ Có thể tạo ra các phân cực tròn, tuyến tính chỉ đơn giản bằng cách thay đổi phương pháp tiếp điện
+ Dễ dàng chế tạo các anten có thể hoạt động với nhiều dải tần
+ Mạng phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được in cùng với cấu trúc anten
Nhược điểm của anten vi dải
+ Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian
+ Giới hạn độ tăng ích cực đại (~ 20 dB)
+ Hiệu suất bức xạ kém
+ Công suất cho phép thấp
2.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản 2.2.2.1 Anten patch vi dải
Anten patch vi dải (microstrip patch antenna) bao gồm một patch dẫn điện có hình dạng phẳng hoặc không phẳng trên một mặt của chất nền điện môi, với mặt phẳng đất ở phía còn lại Các cấu hình cơ bản thường thấy bao gồm hình vuông, hình chữ nhật, hình tam giác đều, hình đĩa, hình elip và hình vòng tròn Trong số đó, anten patch vi dải hình chữ nhật và hình tròn được sử dụng phổ biến hơn Bên cạnh đó, còn có nhiều hình dạng khác như hình nửa đĩa, hình quạt, hình chữ L, hình chữ H và hình chữ U cho anten patch vi dải.
Hình 2.2: Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được dùng trong thực tế [5]
Hình 2.3: Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải [5]
Hình 2.4: Một vài dạng dipole vi dải [5]
Anten dipole vi dải có kích thước chiều dài và chiều rộng nhỏ hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do (L < 0.05λ0) Mặc dù đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải tương tự nhau, nhưng các đặc tính như điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo lại có sự khác biệt rõ rệt Một số dạng dipole vi dải bao gồm dải lưỡng cực đôi gần nhau (proximity-coupled strip dipole), dải lưỡng cực hai miền (double-sided strip dipole) và lưỡng cực mạch in gập đối xứng (symmetrical folded printed dipoles) được thể hiện trong Hình 2.3.
Printed slot antennas feature a slot cut into a metallic surface, which can be shaped in various forms, including rectangular and annular designs, as illustrated in Figure 2.5.
Hình 2.5: Một số anten khe mạch in cơ bản với cấu trúc tiếp điện [5]
2.2.2.4 Anten sóng chạy vi dải
Anten sóng chạy vi dải (micro-strip traveling-wave antenna) bao gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ chế độ TE Điểm cuối của anten được kết nối với tải có điện trở được phối hợp trở kháng nhằm tránh sóng phản xạ Hình 2.6 minh họa một số cấu hình của anten vi dải sóng chạy trên mạch in.
Hình 2.6: Một vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [5]
Anten PIFA
Anten đơn cực được cấu tạo từ nửa anten dipole nửa sóng, được đặt trên mặt đất Chiều dài của anten đơn cực tương đương với một phần tư bước sóng.
Anten chữ F ngược (Inverted F Antenna) là một biến thể của anten đơn cực, với phần trên gập xuống song song với mặt phẳng đất nhằm giảm chiều cao Phần song song này tạo thành điện dung song song trở kháng đầu vào của anten, thường được bù lại bằng cách thực hiện ngắn mạch Mặt còn lại của chất nền kết nối với mặt phẳng đất Anten phẳng F ngược (PIFA) rất phổ biến trong các thiết bị không dây cầm tay nhờ kích thước nhỏ gọn.
Lợi thế của anten PIFA đó là:
+ Dễ dàng chế tạo, chi phí sản xuất thấp
+ Băng thông của anten PIFA cao hơn so với băng thông của anten patch thông thường (vì một chất nền không khí dày được sử dụng)
+ Có thể đặt trong các điện thoại di động vì nó có kích thước nhỏ
+ Giảm bức xạ phản hồi về phía đầu của người sử dụng
PIFA mang lại độ lợi từ trung bình đến cao, rất hữu ích cho các ứng dụng thông tin liên lạc không dây, đặc biệt khi anten không có định hướng cố định và khi có sự phản xạ từ nhiều góc khác nhau trong môi trường.
Mặt phẳng đất của anten có vai trò quan trọng trong hoạt động của nó, vì nó tạo ra một trường điện từ thông qua sự tương tác giữa anten và hình ảnh phản chiếu của nó dưới mặt phẳng đất Điều này dẫn đến một phản xạ năng lượng hoàn hảo, đặc biệt khi mặt phẳng đất có kích thước vô hạn hoặc lớn hơn nhiều so với anten đơn cực.
Kết luận chương
Chương 2 đã trình bày về các ưu điểm của anten vi dải trong đó các ưu điểm vượt trội như trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, dễ sản xuất, chế tạo, giá thành thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng, dễ dàng gắn lên các đối tượng khác, hoạt động ở nhiều dải tần Bên cạnh đó cũng tồn tại những nhược điểm như băng thông hẹp, hiệu suất bức xạ kém, xuất hiện sóng mặt, giới hạn độ tăng ích, bức xạ trong nửa không gian Các loại anten vi dải mà được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực có các hình dạng khác nhau Ngoài ra, các lợi thế của anten PIFA như kích thước nhỏ có thể đặt trong điện thoại di động, dễ dàng chế tạo, chi phí sản xuất thấp, băng thông cao … được ứng dụng phổ biến cho các thiết bị không dây cầm tay Chương cuối đồ án sẽ mô phỏng cấu trúc của anten PIFA mà được ứng dụng cho các thiết bị di động 3G.
MÔ PHỎNG ANTEN PIFA CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG 3G
Giới thiệu chương
Chương 3 sẽ trình bày hình dạng, kích thước, cũng như các kết quả mô phỏng tỉ số điện áp sóng đứng, băng thông và trở kháng vào lần lượt cho các anten sau:
+ Các anten đơn giản + Cải tiến anten PIFA
Mô phỏng các anten đơn giản
Trước khi tiến hành mô phỏng cấu trúc anten PIFA, đồ án đã thực hiện mô phỏng các anten đơn giản như anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F Phần mềm HFSS (phiên bản 13.0) được sử dụng để thực hiện các mô phỏng này, cho phép mô hình hóa các thiết bị thụ động 3D thông qua phương pháp toàn sóng và có giao diện người dùng đồ họa thân thiện.
Chu trình thiết kế khi sử dụng phần mềm HFSS gồm các bước sau:
+ Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích
+ Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời giải
Sau khi hoàn tất mô phỏng, kết quả sẽ được xuất ra dưới dạng bảng dữ liệu Dựa trên số liệu từ bảng này, người dùng có thể dễ dàng sử dụng phần mềm Matlab để biểu diễn các đồ thị.
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 đã được điều chỉnh xuống còn 33 mm thay vì 37.5 mm để đảm bảo các thông số của anten.
Anten có kích thước rộng 1 mm và dày 0.1 mm được kết nối với một bản đồng phẳng Đối với cấu trúc anten sử dụng cho các thiết bị di động 3G, chiều dài của mặt phẳng đất được lựa chọn là L.
= 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 lớn hơn 200 MHz Trở kháng vào tại tần số 2 GHz đạt 68 Ω, đồng thời anten có chiều dài khá lớn Do đó, anten được thiết kế lại thành hình chữ L.
Anten hình chữ L có hai đoạn l 1 = 28 mm và l 2 = 5 mm, với các thông số tương tự như anten đơn cực ở mục 3.2.1 Chiều rộng của anten là w = 1 mm và độ dày t = 0.1 mm, 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 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 nhỏ hơn 2, cho thấy hiệu suất tốt Băng thông của anten này lớn hơn 200 MHz, với trở kháng vào tại tần số 2 GHz đạt yêu cầu.
67 Ω và anten sau khi bẻ gập đạt kích cỡ nhỏ hơn Tiếp tục bẻ gập thành anten hình 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 vượt quá 200 MHz Ở tần số 2 GHz, trở kháng vào đạt 65 Ω, và anten sau khi bẻ gập có kích cỡ nhỏ nhất so với anten đơn cực hoặc anten chữ L.
Đồ án sẽ tập trung vào việc thiết kế cấu trúc anten PIFA, được tạo thành từ các đoạn vi dải với các hình dạng cơ bản, nhằm phục vụ cho ứng dụng trong các thiết bị di động 3G.
Mô phỏng anten PIFA
Ngày nay, thiết bị cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và hữu ích trong việc giao tiếp cũng như tiếp nhận thông tin Người dùng luôn tìm kiếm những thiết bị di động nhỏ gọn, nhẹ và tiện lợi Để đáp ứng nhu cầu này, việc thu nhỏ kích thước 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 đã thiết kế một anten vi dải với kích thước nhỏ (30 × 12.9 × 5 mm³) hoạt động ở tần số trung tâm 2 GHz, nhưng băng thông chỉ đạt 26 MHz Y Kim đã đề xuất một hệ thống anten cho thiết bị cầm tay tương lai, tuy nhiên kích thước vẫn còn lớn K Skrivervik đã phát triển một anten nhỏ hơn (23 × 14 × 5 mm³) cho các thiết bị di động 3G N Q Dinh đã tối ưu hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G với kích thước tương tự (23 × 14 × 5 mm³) và sau đó thiết kế anten PIFA với kích thước 21 × 14.5 × 4 mm³ Đồ án này sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng anten PIFA trên mặt phẳng đất cho thiết bị điện thoại, khảo sát băng thông từ 1.7 GHz đến 2.3 GHz, bao phủ băng tần 3G từ 1.9 GHz đến 2.17 GHz Anten được đề xuất có kích thước 20.7 × 14.5 × 3 mm³, nhỏ gọn hơn so với các thiết kế trước đó và vẫn đảm bảo băng thông cần thiết.
3.3.2 Những yêu cầu chính của anten cho thiết bị di động 3G
Thiết bị 3G thường có kích thước 110 mm x 60 mm x 12 mm và 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 tính năng hoạt động ổn định và khả năng tương thích với 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
The proposed antenna design by Nguyen Quoc Dinh and Ha Quoc Anh 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 was presented in their paper titled "The Optimum Design of PIFA for the 3G Mobile Device" at the Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, organized by the Institute of Electronics, Information, and Communication Engineers.
Anten được kết nối với mặt phẳng đất thông qua điểm nguồn và điểm đất, với các đoạn vi dải bằng đồng có chiều rộng 1 mm và độ dày 0.1 mm Kích thước tổng thể của anten là dài 21 mm, rộng 14.5 mm và cao 4 mm, trong đó khoảng cách giữa điểm nguồn và điểm đất là 8.2 mm Các đoạn vi dải liên kết với mặt đất, trong khi những đoạn còn lại được cố định trên chất nền và song song 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)
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA
Ket qua mo phong tro khang vao 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 anten bao gồm tần số từ khoảng 1.77 GHz đến 2.26 GHz, đủ để phủ sóng băng tần 3G (270 MHz).
3.3.4 Một phương pháp cải thiện cấu trúc anten Để cải thiện cấu trúc anten, áp dụng phương pháp bẻ, gập, phân khe và dùng chất nền FR4 để làm rắn cấu trúc Hơn nữa, để đảm bảo trở kháng vào của anten cần thay đổi dòng bằng cách thay đổi khoảng cách giữa điểm cấp nguồn và các điểm kết nối, đồng thời thêm các đoạn vi dải hình chữ U, L Những đoạn vi dải này sẽ thay đổi phân bố dòng của anten, dẫn đến thay đổi trở kháng vào và vì thế đảm bảo phối hợp trở 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 4 mm xuống 3 mm, như thể hiện ở hình 3.9 Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi giảm chiều cao chất nền được trình bày trong hình 3.10.
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, đồ thị cho thấy tần số trung tâm sẽ lệch khỏi 2 GHz.
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau khi ha chieu cao chat nen
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA khi thay doi l9 l9 = 7.1 mm l9 = 7.6 mm l9 = 8.1 mm
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
Áp dụng phương pháp phân khe với chiều dài l = 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 hiệu quả ở tần số trung tâm 2 GHz và 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 cho thấy giá trị tối ưu là 20.7 mm, với tần số trung tâm đạt 2 GHz và VSWR nhỏ hơn 2.
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau khi thay doi w3 w3 = 21 mm w3 = 20.7 mm w3 = 20 mm
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA khi thay doi chieu dai mat phang dat
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 càng lớn càng tốt, nhưng trong điện thoại di động, kích thước cần được thu nhỏ để phù hợp với thiết bị Hình 3.12 minh họa kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA khi chiều dài mặt phẳng đất thay đổi từ 80 mm xuống 70 mm và 60 mm Đồ thị cho thấy, với chiều dài mặt phẳng đất 70 mm, anten vẫn hoạt động hiệu quả ở tần số trung tâm 2 GHz và có VSWR nhỏ hơn 2.
Sau khi điều chỉnh chiều cao h và phân khe cho anten từ hai đoạn l9 và l10, chúng tôi đã giảm chiều dài w3 của anten cũng như chiều dài mặt phẳng đất Kết quả là cấu trúc anten PIFA được cải tiến đáng kể.
3.3.5 Cấu trúc anten sau cải tiến
Anten sẽ có cấu trúc cố định trên chất nền FR4 với kích thước 40 × 14.5 × 3 mm³, có đặc tính điện ε = 4.4 và tanδ = 0.02 Cả anten và chất nền được đặt trên mặt phẳng đất có kích thước 70 × 40 × 0.1 mm³ (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 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 liên kết với mặt đất, trong khi các đoạn còn lại được cố định trên chất nền và song song 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)
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau cai tien
Ket qua mo phong tro khang vao cua anten PIFA sau cai tien
Hình 3.14: VSWR và trở kháng vào của anten PIFA sau cải tiến
Kết luận chương
Chương cuối trình bày mô phỏng cấu trúc các anten đơn giản, bắt đầu với anten đơn cực có kích thước lớn Khi được bẻ gập thành anten chữ L, kích thước sẽ nhỏ hơn, và anten chữ F sẽ có kích thước nhỏ nhất trong ba loại Dựa trên các cấu trúc anten đơn giản này, đồ án tiếp tục mô phỏng anten PIFA, phù hợp cho thiết bị di động 3G Phương pháp giảm kích thước anten như bẻ, gập và phân khe được áp dụng, từ đó mô phỏng cấu trúc anten PIFA cùng các thông số cải tiến của nó.
Những kết quả đạt được sau khi cải tiến cấu trúc anten PIFA:
+ Kích thước nhỏ 20.7 × 14.5 × 3 mm 3 + Băng thông rộng 500 MHz (30 %, VSWR ≤ 2) bao phủ rộng băng tần 3G của Việt Nam
+ Kích thước mặt phẳng đất nhỏ hơn chỉ còn dài 70 mm
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, đồ án đã tập trung phân tích sâu về anten vi dải và anten PIFA, đặc biệt là ứng dụng của chúng cho các thiết bị di động 3G.
Những kết quả đạt được qua đề tài như sau:
+ Tìm hiểu lí thuyết về anten và các thông số cơ bản của nó
+ Tìm hiểu lý thuyết về anten vi dải và anten PIFA
Sử dụng phần mềm HFSS để mô phỏng và chương trình Matlab để trực quan hóa các kết quả đạt được Bài viết tập trung vào việc mô phỏng cấu trúc của các anten đơn giản, bao gồm anten đơn cực và anten chữ.
Anten chữ F và anten PIFA là hai cấu trúc quan trọng trong thiết kế anten cho thiết bị di động 3G Bằng cách áp dụng các phương pháp giảm kích thước như bẻ, gập và phân khe, chúng ta có thể mô phỏng cấu trúc anten PIFA hiệu quả Qua đó, các thông số quan trọng như băng thông, trở kháng vào và tỉ số điện áp sóng đứng được cải thiện đáng kể, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của anten trong các ứng dụng di động.
Mặc dù đã đạt được một số kết quả trong thời gian hạn chế, đề tài vẫn còn một số thiếu sót cần khắc phục Băng thông của anten hiện tại còn hạn chế, phối hợp trở kháng trong quá trình thực hiện anten chưa đạt yêu cầu, và kích thước anten vẫn cần được cải thiện.
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, nhu cầu về thiết bị ngày càng tinh vi, hiệu quả và nhỏ gọn đang gia tăng Do đó, nghiên cứu và thiết kế các anten vi dải mới, có kích thước nhỏ nhưng hiệu suất cao, trở thành một lĩnh vực được chú trọng.
Trong tương lai, đồ án sẽ tiếp tục tối ưu hóa cấu trúc anten nhằm giảm độ dày mà vẫn duy trì băng thông và các thông số kỹ thuật khác, đồng thời mở rộng khả năng hoạt động ở dải tần rộng hơn Bên cạnh đó, nghiên cứu các loại anten vi dải mới với tính năng vượt trội sẽ được tiến hành, đáp ứng nhu cầu của các hệ thống thông tin hiện tại và tương lai.