Thiết kế anten dùng trong ông nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (uwb) sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt

Khác với anten vô tuyến băng hẹp truyền thống, anten UWB hoạt động trên dải tần rất rộng với những yêu cầu khắt khe về công suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung.. Để nâng cao hiệu qu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

Lêi c¶m ¬n

Trước tiên tôi muốn bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Văn Yêm vì những định hướng, góp ý quý báu trong suốt quá trình thực hiện đồ án Sự hiểu biết sâu rộng trong lĩnh vực anten, vô tuyến cùng sự tận tình của Thầy

đã góp phần không nhỏ hỗ trợ tôi từng bước hoàn thành nghiên cứu này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới anh Phạm Đỗ Nhương - người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình chế tạo mẫu thiết kế

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân

trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã động viên, khích lệ,

tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Trần Thế Phương

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB đang thu hút được sự chú ý của cộng đồng nghiên cứu, phát triển sản phẩm trên thế giới UWB đem lại nhiều hứa hẹn về một môi trường truyền thông phạm vi cá nhân tốc độ rất cao Một trong những thách thức kỹ thuật đối với UWB là thiết kế anten Khác với anten vô tuyến băng hẹp truyền thống, anten UWB hoạt động trên dải tần rất rộng với những yêu cầu khắt khe về công suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung Bản đồ án đề xuất một mẫu anten UWB dùng kiểu vi dải, khá dễ dàng khi chế tạo đặc biệt trong điều kiện kỹ thuật hạn chế Để nâng cao hiệu quả hoạt động của anten, đồ án đề xuất sử dụng cấu trúc dải chắn điện từ EBG được tích hợp trong thiết kế anten vi dải Đây cũng là một minh chứng rõ rệt về vai trò cũng như ứng dụng của cấu trúc EBG – một chủ đề nghiên cứu rất sôi nổi trên thế giới

Different from the traditional antennas for narrow-band wireless systems, an UWB antenna provides new challenges for designers such as how to achieve the very wide impedance bandwidth (7.5 GHz) while still maintain high radiation efficiency and minimize the pulse distortion An Archimedean monofilar microstrip antenna for UWB is presented in this research To have a low-profile, unidirectional radiation antenna, the thesis proposed using EBG substrate as the ground plane for the antenna As we can see, EBG also helps to improve the antenna performance significantly

LỜI CAM ĐOAN

Bản đồ án này do chính tôi nghiên cứu, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS

Vũ Văn Yêm Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu liệt kê trong phần tài liệu tham khảo Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình, thiết kế tốt nghiệp nào khác

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Hà Nội, ngày tháng năm 2009

Trần Thế Phương

MỤC LỤC

Lêi c¶m ¬n 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 11

Chương 1 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng 13

1.1 Giới thiệu về công nghệ UWB 13

1.2 Ưu điểm của công nghệ UWB 14

1.3 Thách thức 16

1.4 Tín hiệu và hệ thống UWB 18

1.4.2 Kỹ thuật UWB đa sóng mang 19

1.4.2.1 Hướng tiếp cận trải phổ 19

1.4.2.2 UWB đa băng 20

1.4.2.3 UWB đa băng dùng OFDM 20

1.4.3 Dạng sóng xung dùng trong UWB 21

1.4.4 Các phương pháp điều chế dữ liệu 21

1.4.5 Các phương pháp đa truy nhập 23

1.4.5.1 Kỹ thuật nhảy thời gian 23

1.4.5.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số 24

1.4.5.3 Đa truy nhập xung trực giao 24

1.4.6 Kỹ thuật thu UWB 24

1.4.6.1 Tách năng lượng 24

1.4.6.2 Bộ thu tương quan 24

1.4.6.3 Bộ thu Rake 25

1.5 Các ứng dụng của UWB 25

Chương 2 Anten dùng trong UWB 26

2.1 Các tham số cơ bản của anten 26

2.2 Yêu cầu kỹ thuật của anten UWB 28

2.3 Nền tảng lý thuyết thiết kế anten UWB 32

2.3.1 Phân loại anten UWB 32

2.3.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế anten UWB 32

2.3.2.1 Giới thiệu về anten vi dải 32

2.3.2.2 Anten độc lập tần số 38

Chương 3 Cấu trúc EBG và ứng dụng trong thiết kế anten 44

3.1 Giới thiệu về EBG 44

3.2 Cơ sở lý thuyết 45

3.2.1 Định lý Bloch và đồ thị tán sắc 45

3.2.2 Các phương pháp số học mô hình hóa cấu trúc EBG 48

3.3 Nghiên cứu cấu trúc EBG 2 chiều 49

3.3.1 Giới thiệu cấu trúc EBG 49

3.3.2 Các mô hình lý thuyết nghiên cứu cấu trúc EBG hình nấm 50

3.3.3 Đặc tính của cấu trúc EBG hình nấm 53

3.3.4 Phân tích cấu trúc EBG hình nấm bằng máy tính 59

3.4 Ứng dụng của EBG trong thiết kế anten 66

3.4.1 Ứng dụng đặc tính pha phản xạ 67

3.4.2 Ứng dụng tính chất triệt sóng mặt 69

3.4.3 Ứng dụng EBG trong thiết kế anten vi dải 71

Chương 4 Thiết kế, mô phỏng, chế tạo anten UWB 72

4.1 Thiết kế anten UWB 72

4.2 Thiết kế cấu trúc EBG 75

4.3 Chế tạo thử nghiệm 81

KẾT LUẬN CHUNG 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog Digital Converter

AMC Artificial Magnetic Conductor

Balun Balanced to Unbalanced

DS – CDMA Direct Sequence Code Division Multiplex Access EBG Electromagnetic Band Gap

EMC Electromagnetic Compatibility

EMI Electromagnetic Interference

FB Fractional Bandwidth

FDM Frequency Division Multiplexing

FDTD Finite Difference Time Domain

FSS Frequency Selective Surface

ISI Intersymbol Interference

MAI Multi Acess Interference

MIMO Multiple Input Multiple Output

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OOK On – Off Keying

PAM Pulse Amplitude Modulation

PBG Photonic Band Gap

PEC Pecfect Electric Conductor

PG Processing Gain

PMC Perfect Magnetic Conductor

PPM Pulse Position Modulation

PSM Pulse Shape Modulation

PWE Plane Wave Expansion

TH – IR Time – Hopping Impulse Radio

TH – PPM Time Hopping Pulse Position Modulation

TMM Transmission Matrix Method

UWB Ultra – Wideband

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 UWB tồn tại cùng các hệ thống thông tin băng hẹp khác 16

Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát UWB dạng xung dùng kỹ thuật TH-PPM [8] 17

Hình 1.3 Các kỹ thuật trải phổ đa sóng mang dùng trong UWB [8] 19

Hình 1.4 Phân bổ băng tần theo đề xuất của MBOA [8] 21

Hình 1.5 Dạng sóng miền thời gian xung Gaussian và các biến thể 22

Hình 1.6 Phổ các xung trong miền tần số 22

Hình 1.7 Sơ đồ khối máy thu dùng kỹ thuật tách năng lượng 24

Hình 1.8 Bộ thu tương quan 25

Hình 2.1 Trở kháng vào anten 26

Hình 2.2 Minh họa hệ thống anten phát và thu 29

Hình 2.3 Minh họa biến đổi của dạng sóng xung theo hướng bức xạ 31

Hình 2.4 Cấu trúc anten vi dải kiểu phiến 33

Hình 2.5 Tiếp điện kiểu đầu dò đồng trục 34

Hình 2.6 Tiếp điện dùng đường vi dải 34

Hình 2.7 Tiếp điện kiểu ghép nối điện từ 35

Hình 2.8 Tiếp điện kiểu ghép nối qua khe 36

Hình 2.9 Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng 36

Hình 2.10 Các mạng biến đổi trở kháng trong thực tế 37

Hình 2.11 Minh họa lý thuyết vòng bức xạ 40

Hình 2.12 Anten xoắn ốc mặt theo nguyên lý tự bù 41

Hình 2.13 Minh họa anten Archimedean 2 cánh tự bù 42

Hình 3.1 Minh họa cấu trúc EBG 3D, 2D (từ trái qua) 45

Hình 3.2 Cấu trúc EBG và cấu trúc đơn vị 46

Hình 3.3 Một cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouni 48

Hình 3.4 Cấu trúc EBG hình nấm 49

Hình 3.5 EBG và mô hình tương đương LC 50

Hình 3.6 Mô hình đường truyền cho trường hợp sóng mặt 51

Hình 3.7 Mô hình đường truyền áp dụng cho sóng phẳng 52

Hình 3.8 Phiến kim loại để tính trở kháng sóng mặt 54

Hình 3.9 Sự lan truyền sóng mặt trên phần giao giữa hai vật liệu không đồng nhất 54 Hình 3.10 Đồ thị tán sắc rút ra từ mô hình LC [12] 56

Hình 3.11 Minh họa đồ thị pha phản xạ của EBG [12] 59

Hình 3.12 Một unit cell 60

Hình 3.13 Mô hình mô phỏng tham số tán xạ 61

Hình 3.14 Tham số tán xạ S21(ω) của cấu trúc EBG 61

Hình 3.15 Sự phụ thuộc dải chắn vào W [20] 62

Hình 3.16 Sự phụ thuộc dải chắn vào r [21] 62

Hình 3.17 Mô hình mô phỏng đồ thị tán sắc EBG 63

Hình 3.18 Đồ thị tán sắc cấu trúc EBG 64

Hình 3.19 Minh họa pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm (3.37) 64

Hình 3.20 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào W 65

Hình 3.21 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào g 65

Hình 3.22 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào h 66

Hình 3.23 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào hằng số điện môi 67

Hình 3.24 Lưỡng cực điện đặt gần PEC/PMC và EBG 68

Hình 3.25 Tham số s11 trong các trường hợp PEC, PMC, EBG [11] 68

Hình 3.26 Dải tần hiệu quả của lưỡng cực và pha phản xạ của EBG [11] 69

Hình 3.27 Đồ thị bức xạ của lưỡng cực khi: b đặt trên mặt phẳng đất 70

c đặt trên EBG tại tần số trong dải chắn d tần số ngoài dải chắn [12]– 70

Hình 4.1 Minh họa đường xoắn ốc vi dải Archimedean 73

Hình 4.2 Minh họa mô hình anten trên phần mềm mô phỏng 74

Hình 4.3 Kết quả s11 trong trường hợp có đất 75

Hình 4.5 Mô hình mô phỏng anten có tích hợp EBG 76

Hình 4.6 Pha phản xạ của cấu trúc EBG 77

Hình 4.7 S11 khi có EBG 77

Hình 4.8 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng XZ 78

Hình 4.9 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng YZ 78

Hình 4.10 Đồ thị S21 của cấu trúc EBG không có vias 79

Hình 4.11 Đồ thị S21 của cấu trúc EBG có vias 79

Hình 4.12 Đồ thị S11 của anten với EBG có vias 80

Hình 4.13 Đồ thị phương hướng bức xạ anten EBG có vias mặt phẳng XZ 80

Hình 4.14 Đồ thị phương hướng bức xạ anten EBG có vias mặt phẳng YZ 81

Hình 4.15 Ảnh chụp mẫu thiết kế 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 So sánh tốc độ dữ liệu của UWB với một số chuẩn hiện có– 15Bảng 2 Một số yêu cầu kỹ thuật anten băng siêu rộng– 72

MỞ ĐẦU

Trong nhiều năm qua, công nghệ truyền thông không dây với khả năng cung cấp kết nối linh hoạt, rộng khắp ngày một phát triển mạnh mẽ, dần trở thành hình thức truyền thông chủ đạo đáp ứng tốt các nhu cầu thông tin liên lạc của đời sống hiện đại Rất nhiều chuẩn truyền thông đã ra đời: từ lĩnh vực thông tin cá nhân (WPAN) với chuẩn Bluetooth (IEEE 802.15) nổi tiếng đến chuẩn WiFi (IEEE 802.11) trong mạng nội bộ (WLAN); Wimax (IEEE 802.16), 3G trong mạng vô tuyến đô thị (WMAN) và những kết nối vô tuyến đường trục (WAN) như vệ tinh, vi ba… Xuyên suốt cùng sự phát triển nhanh chóng này là nhu cầu không ngừng về tốc độ truyền dữ liệu Ngoài ra khi càng nhiều dịch vụ ra đời, tài nguyên phổ tần số càng bị thu hẹp Công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB chính là một giải pháp cho bài toán đó UWB hoạt động trên dải tần 7.5 GHz không phải đăng ký (từ 3.1 10.6 GHz) Để tránh can nhiễu tới các hệ thống vô tuyến hiện có, – người ta quy định công suất phát tối đa của UWB là – 40 dBm tương đương với mức nhiễu nền Đánh đổi băng thông lấy công suất, UWB chủ yếu hướng tới ứng dụng truyền thông phạm vi hẹp (WPAN) với tốc độ cao (chuẩn hiện có đạt tới tốc

độ 480Mb/s trong bán kính 10m, dùng để thay thế USB) Với sự ra đời của UWB, tương lai đầy hứa hẹn về một môi trường truyền thông vô tuyến tốc độ cao tới tận các thiết bị cầm tay không còn xa vời

Sự ra đời của công nghệ UWB đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật trong đó

có vấn đề thiết kế anten Anten UWB hoạt động trên dải tần rất rộng với những yêu cầu khắt khe về công suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung Đồ án này trình bày một hướng thiết kế anten trong đó đề xuất sử dụng cấu trúc EBG để cải thiện hiệu quả hoạt động của anten

Bản đồ án chia làm 4 chương:

Chương 1 trình bày những vấn đề kỹ thuật cốt lõi của hệ thống vô tuyến băng siêu rộng Chương 2 đi sâu phân tích về anten và những yêu cầu thiết kế đặt ra với anten dùng trong UWB Chương 3 nghiên cứu chi tiết về cấu trúc dải chắn điện

từ EBG, những đặc tính độc đáo của EBG có thể ứng dụng để nâng cao hiệu quả hoạt động của anten UWB Chương cuối cùng trình bày mẫu thiết kế đề xuất kèm theo sản phẩm chế tạo thử nghiệm

Đồ án được hoàn thành với tinh thần nghiên cứu nghiêm túc Tuy vậy do hạn chế về thời gian, điều kiện kỹ thuật hiện có, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn để nghiên cứu được hoàn chỉnh hơn

Chương 1 Hệ thống thông tin vô tuyến

băng siêu rộng

1.1 Giới thiệu về công nghệ UWB

Công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) đã và đang thu hút

sự chú ý lớn của cộng đồng nghiên cứu trên thế giới Khác với các kỹ thuật truyền thống, UWB dựa trên việc thu phát các xung độ rộng rất nhỏ (cỡ ns) Tín hiệu UWB

do vậy có băng thông rất lớn (hàng GHz) và mật độ phổ công suất cực thấp (≤ 41.25 dBm/1MHz) Bởi thế công nghệ UWB còn được gọi bằng những thuật ngữ:

-“truyền thông xung - impulse”, “băng cơ sở - baseband” hay “phi sóng mang – carrier free”

,

Về lịch sử UWB không phải kỹ thuật mới, thậm chí nó còn là hình thức khởi đầu của thông tin vô tuyến Tín hiệu điện từ đầu tiên được tạo ra trong các thí nghiệm của Hertz cuối thế kỷ 19 là tín hiệu xung ngắn Trên cơ sở đó, năm 1901 Marconi xây dựng hệ thống thông tin dùng sóng điện từ đầu tiên (điện báo) để truyền đi các mã Morse Tuy nhiên, từ sau 1910 sự chú ý lại quay về kỹ thuật băng hẹp Một phần nguyên nhân là do tín hiệu xung bấy giờ có tốc độ thấp nhưng lạichiếm dụng băng tần lớn Đặc tính trải phổ này, vào thời điểm đó bị đánh giá kém hiệu quả trong khi phương pháp truyền thông băng hẹp mang lại hiệu quả sử dụng phổ tần cao nhờ kỹ thuật FDM

Vào khoảng những năm 60, UWB được ứng dụng trong lĩnh vực radar quân

sự Tín hiệu xung với độ rộng càng hẹp thì radar xác định mục tiêu càng chính xác

t Sang thập niên 70, UWB lại thu hú sự chú ý mới Người ta thấy rằng các xung ngắn rất ít gây nhiễu các hệ thống băng hẹp hiện có và những hệ thống này cũng ít can nhiễu tới nó Thêm vào đó đầ, u những năm 90, Win và Scholtz phát minh ra kỹ thuật nhảy thời gian xung vô tuyến (time – hopping impulse radio TH-IR) giải quyết bài toán nhiễu đa truy nhập nhiều người dùng (MAI) Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, UWB bắt đầu đặt chân vào lĩnh vực truyền thông vô tuyến thương mại

Một động lực khác phải kể đến là năm 2002 FCC (Hoa Kỳ) ban hành quy

định về phổ tần 7.5 GHz (từ 3.1 – 10.6 GHz) và mặt nạ phổ công suất (công suất phát không quá 0.5mW) cho truyền thông vô tuyến băng siêu rộng Đây là một dấu mốc quan trọng trong sự phát triển của UWB Trong vòng 2 năm có khoảng 200 công ty hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực này Nhận thức xu hướng đó, IEEE đã thành lập nhóm chuyên trách (IEEE 802.15.3a) gấp rút chuẩn hóa lớp vật lý cho công nghệ truyền thông vô tuyến tốc độ cao dựa trên UWB Song song với đó, trong lĩnh vực công nghiệp, hai liên minh WiMedia (dùng kỹ thuật OFDM đa băng) và

Diễn đàn UWB (dùng DS CDMA) đã xuất xưởng các sản phẩm đầu vào năm 2005.Điều chú ý là không liên minh nào sử dụng kỹ thuật phát xung trực tiếp Bên cạnh các ứng dụng tốc độ cao, UWB còn được phát triển trong lĩnh vực truyền dữ liệu tốc

-độ thấp nhưng chú trọng mục tiêu giảm thiểu công suất tối đa Một nhóm chuyên trách khác của IEEE ban hành chuẩn cho các ứng dụng này (IEEE 802.15.4a)

Trong lĩnh vực nghiên cứu, cộng đồng khoa học tập trung giải quyết nhiều vấn đề: phát triển hiệu năng kỹ thuật nhảy thời gian, khía cạnh đa truy nhập và xử lý can nhiễu, kỹ thuật cân bằng kênh, bộ thu Rake, kết hợp UWB với MIMO…

1 2 Ưu điểm của công nghệ UWB

• Hoạt động song song bên cạnh các hệ thống băng hẹp hiện có

Theo quy định của FCC mật độ phổ của UWB rất thấp ≤ -41.25 dBm/1MHz tương đương 71.3 nW/MHz Mức công suất này được xếp vào loại bức xạ không gây tác hại (như bức xạ từ màn hình ti vi hoặc máy tính) Do vậy UWB không gây nhiễu cho các hệ thống băng hẹp hiện có Hình 1.1minh họa các hệ thống vô tuyến băng hẹp cùng tồn tại với UWB kèm theo mức công suất phát giới hạn quy định cho UWB ứng dụng trong nhà (indoor UWB)

Mặt khác một băng tần rất rộng đồng nghĩa với hệ số trải phổ lớn, các tín hiệu băn hẹp trong dải tần UWB sẽ bị triệt công suất một lượng xấp xỉ hệ số trải g phổ tại bộ thu UWB làm giảm khả năng can nhiễu vào hệ thống UWB.,

• Dung lượng kênh lớn

Băng thông UWB rất lớn nhưng do công suất phát thấp nên tốc độ dữ liệu của các hệ thống UWB nằm trong khoảng 100 - 500Mb/s (bảng 1) Cũng bởi công suất phát thấp nên cự ly truyền thông của UWB tương đối hẹp

Bảng 1 – So sánh tốc độ dữ liệu của UWB với một số chuẩn hiện có

Chuẩn truyền thông Tốc độ dữ liệu

UWB, USB 2.0 480

UWB (4 m tối thiểu), 1394a (4.5 m) 200

UWB (10 m tối thiểu) 110

• Khả năng chống nhiễu đa đường

Trong quá trình lan truyền từ phía phát đến phía thu, sóng điện từ có thể bị phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ hay hấp thụ bởi các vật thể Tín hiệu sẽ đi theo nhiều đường khác nhau và đến máy thu sau khoảng thời gian trễ khác nhau Những phiên bản tín hiệu này giao thoa làm tăng xác xuất lỗi bít ở đầu thu (hiện tượng này gọi là nhiễu liên ký tự ISI) Tuy nhiên với xung UWB, do có độ rộng rất hẹp (cỡ ns) nên - nếu các xung đa đường trễ nhưng khoảng thời gian lớn hơn độ rộng xung chúng sẽ không giao thoa với nhau và hoàn toàn có thể bị lọc bỏ trong miền thời gian hoặc lợi dụng để tăng hiệu quả thu nhận tín hiệu như trong bộ thu Rake Tuy vậy với các ứng dụng vô tuyến phạm vi hẹp, môi trương có nhiều vật thể, xung UWB vẫn có thể

bị méo trầm trọng do hiện tượng đa đường

• Kiến trúc thu phát đơn giản

Trong trường hợp phát xung không sóng mang, sẽ loại bỏ được nhiều khối cao tần ở máy phát, thu Kiến trúc thu phát đơn giản làm giảm chi phí, giá thành sản

phẩm Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ cao, đa truy nhập thì độ phức tạp, chi phí

sử dụng hệ thống truyền thông UWB

• Sự méo dạng xung

Các thành phần tần số trong phổ tín hiệu UWB bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền vô tuyến Công suất phát thấp cộng với méo dạng nhiều gây khó khăn cho việc phục hồi thông tin ở phía thu

• Ước lượng kênh

Trong các máy thu tương quan việc ước lượng kênh đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên do dải thông của tín hiệu UWB rất lớn và năng lượng của tín hiệu bị suy giảm trong môi trường truyền dẫn làm cho các xung UWB bị méo nhiều vì vậy việc ước lượng kênh chính xác trở nên rất khó khăn.

• Đồng bộ

Đồng bộ thời gian là một thách thức lớn, một hướng nghiên cứu của hệ thống truyền thông UWB Giống như tất cả các hệ thống truyền thông khác, cần phải thực hiện quá trình đồng bộ thời gian giữa cặp máy phát và máy thu Tuy nhiên quá trình đồng bộ và quá trình lấy mẫu các xung cỡ ns đã tạo ra một thách thức lớn đối với việc thiết kế các hệ thống truyền thông UWB Để lấy mẫu được các xung rất hẹp phải sử dụng đến các bộ ADC rất nhanh Do sự giới hạn về công suất và chu kì xung ngắn, hệ thống UWB rất nhạy cảm với các lỗi về thời gian như jitter, hiện tượng trôi (drift) Đây là một trong những khó khăn chủ yếu đối với các máy thu của hệ thống UWB sử dụng sơ đồ điều chế kiểu PPM, dựa trên việc tách chính xác

vị trí của tín hiệu thu được

• Nhiễu đa truy nhập

Hệ thống đa truy nhập nhiều người dùng đòi hỏi phải tách được tín hiệu người dùng cần quan tâm khỏi tín hiệu từ những người dùng khác Việc này càng khó khăn trong điều kiện tín hiệu UWB thu bị méo nhiều và công suất thấp

Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát UWB dạng xung dùng kỹ thuật TH-PPM [8]

1.4 Tín hiệu và hệ thống UWB

Theo quy định của FCC, tín hiệu được coi là UWB phải có băng thông 10dB lớn hơn 500MHz hoặc tham số FB (fractional bandwidth) lớn hơn 20% Ngoài ra yêu cầu công suất tín hiệu UWB tuân theo mặt nạ phổ công suất quy định

Mặc dù lịch sử UWB gắn liền với kỹ thuật phát xung trực tiếp không sóng mang nhưng hiện nay có rất nhiều cách tiếp cận để xây dựng hệ thống truyền thông UWB Phần này sẽ giới thiệu hai xu hướng chính là UWB phát xung và UWB đa sóng mang

1.4.1 Kỹ thuật UWB phát xung (UWB impulse radio)

Kỹ thuật này dựa trên việc thu phát các xung có độ rộng rất nhỏ (không sử dụng sóng mang) Phổ của xung đảm bảo nằm trong miền tần số UWB và tuân theo quy định về mặt nạ phổ công suất

Xung đơn có thể chọn kiểu dạng sóng Gaussian, Laplacian, Rayleigh hoặc Hermitean tùy theo yêu cầu về mặt nạ phổ

Dữ liệu được điều chế vào xung sử dụng một trong các phương pháp: PPM (điều biến vị trí xung), PAM (điều biến biên độ xung), OOK (khóa tắt mở)…

Một kí tự điều chế (symbol) có thể tương ứng với N xung Tương tự như trong kỹ thuật trải phổ, độ lợi xử lý (processing gain – PG) tính theo công thức:

PG1 = 10log10N (1.1) Giả thiết khoảng thời gian truyền một kí tự là Tsđược chia thành N khung thời gian cho mỗi xung với độ rộng Tf = Ts/N (có thể xem Tf tương đương độ rộng một chip

Tc trong kỹ thuật trải phổ) Tuy nhiên xung UWB không chiếm toàn bộ Tf mà có độ rộng xung Tx << Tf Như vậy trong khoảng thời gian Tf máy thu chỉ lắng nghe kênh truyền trong thời gian Tx Điều này hạn chế đáng kể ảnh hưởng nhiễu từ các nguồn phát khác và mang lại độ lợi xử lý PG2:

PG2 = 10log10 f

x

T

T (1.2)Trong trường hợp đa truy nhập nhiều người dùng, thời điểm phát xung còn được xác định bởi mã nhảy thời gian giả ngẫu nhiên ví dụ kỹ thuật PPM kết hợp nhảy thời gian (time-hopping)

Hình 1.2 trình bày kiến trúc bộ thu phát xung UWB dùng kỹ thuật điều chế PPM kết hợp nhảy thời gian (TH PPM)-

1.4.2 Kỹ thuật UWB đa sóng mang

1.4.2.1 Hướng tiếp cận trải phổ

a Kỹ thuật CDMA đa sóng mang phía phát và thu

b Kỹ thuật CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang

c Kỹ thuật CDMA đa tần

Hình 1.3 Các kỹ thuật trải phổ đa sóng mang dùng trong UWB [8]

Ý tưởng trải phổ CDMA dùng trong hệ thống 3G được áp dụng để tạo ra UWB theo đúng mặt nạ phổ quy định Kỹ thuật sử dụng ở đây là kết hợp trải phổ và

đa sóng mang Có 3 phương pháp: CDMA đa sóng mang, CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang và CDMA đa tần (hình 1.3)

Trong phương pháp CDMA đa sóng mang, luồng dữ liệu được trải trên các sóng mang thứ cấp fi với mỗi chíp Cicủa chuỗi giả ngẫu nhiên Trải phổ được thực hiện trong miền tần số Tín hiệu điều chế trên mỗi sóng mang phải có độ rộng tối thiểu 500MHz theo quy định Phía thu thực hiện giải trải phổ sử dụng các chíp gi

tương ứng của mã giả ngẫu nhiên

Phương pháp CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang, luồng dữ liệu được trải phổ trong miền thời gian sau khi chuyển đổi nối tiếp - song song

Phương pháp CDMA đa tần, khoảng cách tần số giữa các sóng mang fi nhỏ hơn nên băng tần của hệ thống hẹp hơn so với các phương pháp khác

Ngoài ra kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp không dùng đa sóng mang cũng có thể áp dụng Dữ liệu được trải phổ trong miền thời gian bằng cách nhân trực tiếp với mã giả ngẫu nhiên gồm chuỗi bít ±1 (gọi là các chíp) tạo ra bởi thanh ghi dịch Mỗi chíp độ rộng Tc Lưu ý rằng khác với kỹ thuật UWB phát xung, các xung chíp phát ra chiếm chọn cả khoảng thời gian Tc Việc phát liên tiếp các xung tốc độ cao như vậy là một khó khăn khi thiết kế mạch thực tế

Ưu điểm của kỹ thuật đa sóng mang so với đơn sóng mang là tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang thứ cấp được hạ thấp nên dễ dàng hơn cho quá trình đồng bộ tại đầu thu cũng như chống nhiễu ISI Nhược điểm của kỹ thuật này là làm tăng độ phức tạp của hệ thống

1.4.2.2 UWB đa băng

Đây là cách tiếp cận đề xuất trong chuẩn IEEE 802.15.3a Băng tần UWB được chia làm các băng con độ rộng gần 500 MHz và cách nhau 470 MHz Mỗi băng con được tạo ra bằng cách phát xung với băng thông 500 MHz

1.4.2.3 UWB đa băng dùng OFDM

Được đề xuất bởi MBOA, dùng kỹ thuật OFDM để tạo ra các tín hiệu (kênh) độ rộng 528 MHz (hình 1.4)

1.4.3 Dạng sóng xung dùng trong UWB

, Như đã trình bày xung UWB phải có dạng sóng đáp ứng yêu cầu về mặt nạ phổ công suất quy định Về cơ bản xung có ba tham số phải quan tâm:

• Độ rộng xung Tx: Quyết định độ rộng băng tần trong miền tần số

• Chu kỳ xung Tf: Xác định tần số trung tâm của băng tần chiễm giữ

• Hình dạng xung: Ảnh hưởng đến phân bố năng lượng trong băng tần chiếm giữ

Hình 1.4 Phân bổ băng tần theo đề xuất của MBOA [8]

Có rất nhiều dạng sóng có thể sử dụng: Gaussian và các biến thể của nó (hình 1.5+1.6), Rayleigh, Laplacian, Cubic… Các dạng sóng này có thể áp dụng trong kỹ thuật UWB phát xung hoặc UWB đa băng (trong đó dạng sóng xung sẽ được điều chế bởi sóng mang hình sin lên các băng tần mong muốn)

1.4.4 Các phương pháp điều chế dữ liệu

• Điều biến biên độ xung PAM

Tín hiệu sau điều chế s(t):

s(t) = djwtr(t) (1.3) trong đó dj = ±1 ứng với bít 0 hoặc 1 wtr(t) là dạng sóng xung sử dụng

• Khóa tắt mở OOK

Tương tự PAM nhưng dj = 0 hoặc 1 ứng với bít 0 hoặc 1

Hình 1.5 Dạng sóng miền thời gian xung Gaussian và các biến thể

Hình 1.6 Phổ các xung trong miền tần số

• Điều biến vị trí xung PPM

s(t) = wtr(t – dδ j) (1.4)

với djbằng 0 hoặc 1 tương ứng bít 0 hoặc 1.

Giá trị lựa chọn theo đặc tính tự tương quan của xung theo đó giá trị tối ưu δ , δopt

• Điều biến dạng xung PSM

Trong phương pháp này mỗi ký tự điều chế tương ứng với một xung trong tập xung cho trước Các xung trong tập xung phải thỏa mãn đặc tính trực giao Tập xung có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các hàm đa thức Hermite sửa đổi hoặc các sóng con (wavelets 8 ) [ ]

1.4.5 Các phương pháp đa truy nhập

1.4.5.1 Kỹ thuật nhảy thời gian

Trong phương pháp này thời điểm xuất hiện xung được xác định bởi mã giả ngẫu nhiên gán cho mỗi người dùng

Giả sử bít dữ liệu thứ k có độ rộng Ts nằm trong luồng dữ liệu của người dùng thứ m Bít này được trải trên N xung với độ rộng xung Tx thời gian lặp xung Tf

(để tăng độ lợi xử lý) Khoảng thời gian Tf lại được chia thành Nc khoảng thời gian chip Tc xác định bởi mã cjtrong chuỗi mã giả ngẫu nhiên Thời điểm xuất hiện xung tùy thuộc mã giả ngẫu nhiên và dữ liệu điều chế (xét với phương pháp PPM)

1.4.5.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số

Phương pháp này thích hợp với UWB đa băng Tín hiệu xung được chọn có băng thông nhỏ (500MHz), được điều chế bởi sóng mang hình sin lên băng tần dành cho mỗi người dùng

1.4.5.3 Đa truy nhập xung trực giao

Áp dụng cho phương pháp điều chế PSM Tập các xung trực giao được chia

ra gán cho mỗi người dùng Ví dụ nếu sử dụng tập xung tạo ra bởi các hàm đa thức Hermite sửa đổi xác định từ công thức tổng quát:

hn(t) = 2 2

2 [ /2]

t n

1.4.6 Kỹ thuật thu UWB

1.4.6.1 Tách năng lượng

Hình 1.7 minh họa sơ đồ khối máy thu dùng kỹ thuật tách năng lượng Trong khoảng thời gian tồn tại xung đầu ra bộ tích phân sẽ thu được tín hiệu có năng lượng vượt mức ngưỡng, ứng với dữ liệu giải điều chế là 1 Ngược lại nếu không có xung, tín hiệu có năng lượng dưới mức ngưỡng, ứng với dữ liệu giải điều chế là 0

Hình 1.7 Sơ đồ khối máy thu dùng kỹ thuật tách năng lượng

1.4.6.2 Bộ thu tương quan

Bộ tương quan trong máy thu thực hiện nhân tín hiệu thu được với dạng sóng mẫu sẵn có, au đó lấy tích phân cho ra mức điện áp một chiều Nếu tín hiệu thu sgiống với dạng sóng mẫu thì điện áp đầu ra lớn nhờ đó giải điều chế được tín hiệu (hình 8) 1

( ) ( )t s t w( )t

r = +

p (1.8)1.4.6.3 Bộ thu Rake

Trong kênh vô tuyến đa đường, tại đầu thu sẽ nhận được nhiều phiên bản tín hiệu phát bị trễ những khoảng thời gian khác nhau Nếu sử dụng bộ thu Rake, những phiên bản tín hiệu này sẽ được tận dụng để cải thiện chất lượng thu nhận

Hình 1.8 Bộ thu tương quan

Ngoài ra UWB còn sử dụng trong các mạng cảm biến không dây, mạng adhoc…

-C hương 2 Anten dùng trong UWB

Công nghệ UWB với những đặc tính về băng tần và phổ công suất đặt ra nhiều thách thức mới cho việc thiết kế anten so với kỹ thuật băng hẹp Chương này trước hết phân tích các tham số cơ bản của anten, yêu cầu với những tham số này khi anten dùng trong UWB Phần tiếp theo đi sâu trình bày phương pháp thiết kế mẫu anten thỏa mãn những yêu cầu đó

2.1 Các tham số cơ bản của anten

• Băng thông trở kháng

Băng thông trở kháng dùng để chỉ băng tần trên đó anten phối hợp trở kháng tốt với đường truyền (ít hơn 10% tín hiệu bị tổn hao do phản xạ) Khả năng phối hợp trở kháng được đặc trưng bởi tham số: tỷ số sóng đứng (VSWR), tổn hao ngược (RL) hay hệ số phản xạ (г)

Là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của công suất cường độ trường bức xạ (khu xa) ( )

theo các góc φ, θ tại một khoảng cách r cố định (r > 3λ) Tùy theo ứng dụng mà

anten UWB có thể yêu cầu bức xạ đẳng hướng hoặc hướng tính

Tham số này xem xét đến tổn hao trong anten

Trở kháng vào anten Za = Ra + jXavới Ra = Rr + RL trong đó Rr là điện trở bức xạ,

RL đặc trưng cho tổn hao vật liệu trong anten Hiệu xuất bức xạ ηe tính theo công thức:

in r L

P R

P =R +R (2.4) với Pr là công suất bức xạ, Pin là công suất đầu vào anten Nếu tính đến cả tổn thất

do phối hợp trở kháng chưa tốt ta có tham số hiệu suất bức xạ tổng cộng ηt:

Có 2 tham số hay được xem xét là: tỷ số phân cực chéo và tổn hao phân cực.Băng thông của anten có thể được xác định trên cở sở mức phân cực chéo cực đại Thông thường anten có băng thông trở kháng lớn thì sẽ có băng thông phân cực nhỏ

2.2 Yêu cầu kỹ thuật của anten UWB

Tất cả các tham số trên đều phải cân nhắc đến khi thiết kế bất kỳ loại anten nào Tuy nhiên đối với anten UWB còn có thêm nhiều thách thức cần giải quyết Trước hết hệ thống UWB có thể dùng chọn cả băng tần 7.5 GHz hoặc sử dụng cách tiếp cận đa băng Dù là trường hợp nào cũng đòi hỏi anten thiết kế phải phối hợp trở kháng trên cả dải tần này, đây là thách thức đầu tiên với người thiết kế

Về đồ thị phương hướng, tùy vào ứng dụng anten có thể yêu cầu bức xạ gần như đẳng hướng hoặc hướng tính Giống như băng thông trở kháng, đồ thị phương hướng bức xạ phải tương đối ổn định trong dải tần 7.5GHz

Vì anten UWB có công suất phát thấp nên phải hạn chế tối đa các loại tổn hao Ngoài tổn hao do phản xạ cần chú ý tổn hao trong vật liệu

Một tham số khác rất quan trọng là trễ nhóm (group delay) của anten:

τ = dd

φω

− (2.7) với φlà pha của hàm truyền đạt bức xạ anten (khi coi anten như một mạng bốn cực) Nếu pha tuyến tính trên cả dải tần UWB thì trễ nhóm sẽ có giá trị không đổi Trễ nhóm ảnh hưởng trực tiếp đến sự méo dạng xung UWB phát đi Xung UWB phát đi bị méo nhiều sẽ gây khó khăn cho quá trình giải điều chế tương quan bên phía thu Tham số này thường không cần quan tâm trong các ứng dụng băng hẹp vì khi đó hầu như luôn có được pha tuyến tính

Một điểm nữa cần lưu tâm khi thiết kế anten UWB là kích thước anten UWB chủ yếu hướng đến các ứng dụng WPAN Anten cần thiết kế nhỏ gọn để dễ tích hợp trong các thiết bị điện tử cầm tay

Phần trên đã trình bày những yêu cầu thiết kế đối với anten UWB về mặt định tính Một thiết kế tốt được đánh giá trên cơ sở đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra đối với các tham số của anten Tuy vậy đối với anten UWB (đặc biệt khi dùng trong kỹ thuật phát xung trực tiếp không sóng mang) cần có những cân nhắc kỹ lưỡng hơn khi đánh giá Xét trên quan điểm hệ thống, tín hiệu thu phát qua hệ thống anten phải có chất lượng cao (tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn tại bộ thu) Nếu - dạng sóng tín hiệu bị méo nhiều sẽ kéo theo tỷ số SNR thấp Có thể đánh giá chất

lượng anten UWB sâu sát hơn qua việc phân tích các hàm truyền đạt hệ thống, hàm truyền đạt bức xạ và tính trung thực

Γ Γ là hệ số phản xạ tại đầu vào anten phát và đầu ra anten thu

Gt, Grlà tăng ích anten phát, anten thu

Hàm truyền đạt hệ thống H(ω) đưa ra nhằm liên hệ giữa tín hiệu (điện áp) tại đầu vào anten phát

2

( )

2 ( )2

bị méo, hàm truyền đạt biên độ |H(ω)| phải bằng phẳng, pha phải tuyến tính trên cả dải tần hoạt động

vector phân cực a của anten phát Hàm này cũng mô tả các đặc tính của anten phát như phối hợp trở kháng, tăng ích, hướng bức xạ Vt(ω) là phổ của tín hiệu đưa vào

anten Hàm truyền đạt bức xạ được đưa ra để đánh giá mật độ phổ công suất bức xạ

có tuân theo khuyến nghị về mặt nạ phổ hay không [5]

Công thức (2.10) cũng cho thấy phổ của tín hiệu bức xạ tùy thuộc vào phổ của tín hiệu nguồn (dựa trên việc lựa chọn dạng sóng xung UWB) và hàm truyền đạt bức

xạ của anten Anten đóng vai trò như một bộ lọc thông dải đối với dạng sóng nguồn

Hàm truyền đạt bức xạ cũng phụ thuộc vào hướng bức xạ Trên hình 2.3, tín hiệu xung bức xạ có dạng sóng khác nhau theo mỗi hướng do tăng ích, các đáp ứng biên

độ và pha đều phụ thuộc hướng bức xạ

• Tính trung thực

Tính trung thực của xung nhận được tại bộ thu dùng để đánh giá chất lượng tín hiệu thu được dưới ảnh hưởng của hệ thống anten và kênh vô tuyến Trên cơ sở đó xác định được dạng sóng mẫu dùng trong bộ thu tương quan

ps(t) Việc đánh giá tác động của kênh vô tuyến UWB vượt ngoài phạm vi của đồ

án, chi tiết có thể tham khảo trong các tài liệu liệt kê ở cuối luận văn

Hình 2.3 Minh họa biến đổi của dạng sóng xung theo hướng bức xạ

2.3 Nền tảng lý thuyết thiết kế anten UWB

2.3.1 Phân loại anten UWB

cRất nhiều kiểu anten đã được thiết kế cho hệ thống UWB Về ơ bản có thể phân loại dựa trên cấu trúc hình học (2 chiều hoặc 3 chiều) hay đặc tính bức xạ (hướng tính hoặc vô hướng) của chúng

Với thiết kế 2 chiều, bức xạ hướng tính, phổ biến nhất là các loại: Vivaldi, anten độc lập tần số như loga – chu kỳ, xoắn ốc (spiral) Tuy nhiên các anten độc lập tần số thường có tâm pha thay đổi trên cấu trúc hình học làm phát sinh trễ, hiệu ứng vòng (Ringing) gây méo dạng sóng xung phát Bức xạ vô hướng thường dùng loại anten lưỡng cực mặt (planar dipole), anten khe, anten đơn cực (monopole) chế tạo trên đế điện môi (vi dải)…

Thiết kế 3 chiều, bức xạ hướng tính có các kiểu anten phễu, anten dùng bộ phản xạ; bức xạ vô hướng có thể dùng anten lưỡng cực hình trụ, anten hình nón, anten cuộn…

Để dễ dàng tích hợp trong các thiết bị di động, anten cần có kích thước nhỏ gọn do vậy các loại anten mặt (lưỡng cực hoặc đơn cực), anten khe, anten vi dải thường được sử dụng Anten cũng có thể cấu trúc thành dàn để tăng độ tăng ích hoặc cần khả năng quét búp sóng

2.3.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế anten UWB

(

Đồ án này đề xuất mẫu thiết kế anten UWB kiểu vi dải microstrip) Mục này trước hết giới thiệu sơ lược cấu trúc, đặc tính bức xạ của anten vi dải Sau đó phân tích các biện pháp cải thiện hiệu năng của loại anten này, áp dụng cho thông tin UWB

2.3.2.1 Giới thiệu về anten vi dải.

Nhờ những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, linh hoạt, chế tạo dễ dàng mà anten vi dải được sử dụng ngày một phổ biến trong các hệ thống vô tuyến Có rất nhiều dạng thức anten vi dải: dạng phiến (patch) – phổ biến nhất, lưỡng cực (dipole), khe (slot) hoặc cấu trúc sóng chạy Mục này tập trung trình bày về anten vi dải dạng phiến

Cấu tạo đơn giản nhất của anten vi dải dạng phiến gồm một phiến kim loại

ăn mòn trên một mặt của đế điện môi mỏng (độ dày nhỏ hơn nhiều so với bước

sóng), mặt kia của đế điện môi là màn chắn kim loại – mặt phẳng đất (ground)

Phiến kim loại có kích thước cỡ λe/2 (với λe là bước sóng hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi) Đây chính là thành phần bức xạ sóng điện từ Đặc tính bức xạ của anten tùy thuộc vào phân bố dòng điện trên phiến kim loại Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chọn lựa hình dạng phiến kim loại, cấu trúc tiếp điện, độ dày cũng như hằng số điện môi của đế cho thích hợp

Hình 2.4 Cấu trúc anten vi dải kiểu phiến

Các kiểu tiếp điện cho anten vi dải

Phương pháp tiếp điện (feeding method) cho anten vi dải rất đa dạng, có thể xếp thành hai nhóm chính: tiếp điện trực tiếp (có sự tiếp xúc bằng kim loại với tấm kim loại bức xạ) và tiếp điện gián tiếp (thông qua cảm ứng điện từ) iếp điện trực Ttiếp có các kiểu: dùng đầu dò đồng trục (coaxial probe) hay đường vi dải (microstrip line) Tiếp điện gián tiếp có thể là ghép nối điện từ (electromagnetic coupling) hoặc ghép nối qua khe (aperture coupling) hoặc tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide feed) Cần phải nhấn mạnh rằng kỹ thuật tiếp điện ảnh hưởng trực tiếp tới trở kháng vào cũng như đặc tính bức xạ của anten vi dải

Phương pháp tiếp điện trực tiếp

• Đầu dò đồng trục

Lõi cáp đồng trục (đầu dò) hàn trực tiếp vào phiến kim loại, phần vỏ được tiếp đất (hình 2.5) Trở kháng vào của anten có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí đầu dò Nhược điểm của phương pháp này là làm gia tăng bức xạ sóng

mặt, thành phần điện kháng đầu vào Phần mối hàn tiếp đất sẽ trồi lên làm mất tính phẳng của màn chắn kim loại (biến đổi đặc tính bức xạ) Ngoài ra việc điều chỉnh đầu nối đồng trục có thể làm mất tính đối xứng của anten cũng như đồ thị phương hướng bức xạ

Phiến kim loại tròn

Hình 2.6 Tiếp điện dùng đường vi dải Một cách để mở rộng băng thông cho anten vi dải là tăng độ dày đế điện môi Tuy nhiên khi đó đầu dò đồng trục sẽ dài hơn dẫn tới khó phối hợp trở kháng (do điện kháng vào tăng lên) Với phương pháp tiếp điện đường vi dải, tấm điện môi

dày đồng nghĩa với đường vi dải bức xạ nhiều hơn Để khắc phục những khó khăn này, giải pháp tiếp điện gián tiếp được đưa ra

Phương pháp tiếp điện gián tiếp

• Ghép nối điện từ

Trong phương pháp này, đường tiếp điện vi dải nằm giữa phiến kim loại bức

xạ và mặt phẳng đất Ngăn cách giữa đường tiếp điện và các thành phần nói trên là hai tấm điện môi (có thể có hằng số điện môi khác nhau) được chọn lựa để nâng cao hiệu năng cho từng thành phần (phiến kim loại hoặc đường tiếp điện) Nhược điểm của phương pháp này là hai lớp cần được bố trí hợp lý (ví dụ, đường tiếp điện cần nằm giữa tấm patch để tạo nên đồ thị phương hướng đối xứng) và làm tăng độ dày của anten

Phiến bức xạ

Mặt phẳng đất

Đường tiếp điện

Hình 2.7 Tiếp điện kiểu ghép nối điện từ

• Ghép nối qua khe (Aperture coupling)

Phương pháp này sử dụng hai lớp điện môi ngăn cách ở giữa bởi màn chắn kim loại Ở giữa màn chắn kim loại người ta cắt một khe nhỏ và trường điện từ được ghép nối từ đường tiếp điện qua khe tới phiến kim loại Điểm mạnh của phương pháp tiếp điện này là sự sai lệch vị trí giữa hai lớp điện môi ảnh hưởng không đáng kể tới đồ thị phương hướng Giống như phương pháp ghép nối điện từ, hai tấm điện môi có thể được chọn để nâng cao hiệu năng riêng từng thành phần phiến kim loại và đường tiếp điện

• Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar waveguide)

Trong phương pháp này, đường dẫn sóng đồng phẳng được khắc ở màn chắn kim loại, được tiếp điện bởi đường đồng trục và kết thúc bởi khe Khe cần họn kích thước phù hợp để giảm thiểu bức xạ mặt sau

Phiến bức xạ

Mặt phẳng đất với khe

Đường tiếp điện

Hình 2.8 Tiếp điện kiểu ghép nối qua khe

Phiến bức xạ

KheĐường CPW

Hình 2.9 Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng

Các kỹ thuật mở rộng băng thông cho anten vi dải

Theo truyền thống có ba cách tiếp cận để mở rộng băng thông cho anten vi dải

• Giảm hệ số phẩm chất Q của anten

Hệ số phẩm chất Q tỷ lệ nghịch với băng thông trở kháng

BW = VSWR 1

Q VSWR

− (2.12)

Theo lý thuyết của Chu ][5 , mỗi anten đều có hệ số phẩm chất tối thiểu Qmin xác định bởi công thức:

2

1 3( )( ) 1 ( )

o

k RQ

với R là bán kính mặt cầu nhỏ nhất bao trùm hoàn toàn anten Vậy để tăng băng thông cần giảm hệ số phẩm chất hay tăng kích thước anten Với anten vi dải có thể tăng độ dày đế điện môi hoặc sử dụng đế có hằng số điện môi thấp Cần chú ý rằng việc giảm hệ số phẩm chất đồng nghĩa với tăng tổn hao trong anten, làm giảm hiệu suất bức xạ

• Sử dụng mạng phối hợp trở kháng

Ngay cả khi thành phần bức xạ đã được thiết kế không phụ thuộc tần số, băng thông trở kháng vẫn có thể thấp do cấu trúc tiếp điện có trở kháng đặc tính không đổi Sử dụng mạng phối hợp trở kháng có thể cải thiện sự phối hợp trở kháng giữa hai thành phần này Với anten vi dải, mạng phối hợp trở kháng có thể tách biệt hoặc gắn với phiến kim loại Mạng phối hợp trở kháng có thể là một bộ chuyển đổi trở kháng ¼ bước sóng hoặc các mẩu kim loại điều chỉnh (hình 2.10)

Hình 2.10 Các mạng biến đổi trở kháng trong thực tế

• Tăng các bộ cộng hưởng

Anten vi dải thực chất là loại anten cộng hưởng Việc bổ sung thêm các thành phần cộng hưởng bằng cách thêm các phiến kim loại bức xạ phụ bên cạnh phiến chính có thể mở rộng băng thông anten Các phiến bức xạ phụ có thể nằm trên cùng mặt phẳng với phiến chính hoặc cấu trúc thành nhiều lớp

Mặc dù các phương pháp trên đều có thể mở rộng băng thông của anten vi dải nhưng cũng không đủ rộng để bao trùm dải tần 3.1 – 10.6 GHz Có một cách tiếp cận khác đó là sử dụng cấu trúc anten độc lập tần số

2.3.2.2 Anten độc lập tần số

Để có được đặc tính độc lập tần số anten phải tuân theo những điều kiện sau:

• Cấu trúc hình học của anten phải được xác định hoàn toàn bởi các góc

• Dòng điện lan truyền trên anten sau khi qua vùng bức xạ chính phải bị triệt tiêu hoàn toàn trước khi tới các vùng bức xạ thứ cấp bậc cao hơn

• Anten có thể thỏa mãn nguyên lý tự bù

Nguyên lý tự bù phát biểu rằng: nếu tráo đổi các phần kim loại hoặc phi kim loại trên cấu trúc anten mặt đặt trong môt trường đồng nhất cho nhau mà cấu trúc hình học anten không bị thay đổi (ngoại trừ việc bị quay đi một nửa chu kỳ góc) thì trở kháng tương ứng của hai phần kim loại và phi kim loại liên hệ với nhau theo công thức:

Với η là trở kháng sóng phẳng của môi trường đồng nhất

Trong trường hợp anten có cấu trúc hình học thuần túy là hàm của các góc cũng sẽ không phụ thuộc tần số Giả sử anten đặt trong hệ tọa độ cầu, có kích thước

vô hạn, đối xứng quanh các trục θ = 0 và θ = π, cấu trúc hình học anten xác định

bởi hàm số:

r = F(θ, φ)

Nếu giảm tần số hoạt động của anten đi K lần thì để không ảnh hưởng đến các đặc tính của anten, kích thước vật lý của anten phải tăng lên tương ứng K lần (nhằm duy trì kích thước điện của anten) tức là:

r’= K.F(θ, φ)

Để anten không thay đổi cấu trúc hình học thì:

R’ = K F(θ, φ) = F(θ, φ + C)

tương đương với quay anten đi một góc trong mặt phẳng C φ với C chỉ phụ thuộc

vào K mà không phụ thuộc θ hay Việc quay anten không làm thay đổi trở kháng φ