báo cáo bài tập lớn đề tài anten pifa

Với cấu trúc đơn giản, kích thước, trọng lượng gọn nhẹ,chi phí chế tạo rẻ làm cho anten PIFA đã và đang trở thành một trong những loại anten được sử dụng nhiều trong các hệ thống di động

111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ

NỘI

Trường : Điện – Điện tử

- -  

Báo cáo bài tập lớn:

Đề tài: Anten PIFA

Giảng viên: Tạ Sơn Xuất

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nghiêm Văn Quang 20203547

2 Đào Trường Giang 20203402

3 Nguyễn Phạm Trung Hiếu 20203706

4 Nguyễn Văn Trí 20203619

5 Mai Văn Mạnh 20203500

6 Bùi Văn Huỳnh 20203464

7 Nguyễn Đăng Dương 20203388

8 Nguyễn Tuấn Anh 20200038

Hà Nội, năm 2023

MỤC LỤC

I.Giới thiệu 2

II.Lịch sử anten PIFA 3

III.Lý thuyết anten PIFA 5

1.Cu tr c anten PIFA 5

2.Đă#c t$nh 6

3.Nguyên lý hoạt động 7

4.Nguyên lý bức xạ 9

5 Ưu điểm và nhược điểm 9

6 Ứng dụng 10

V.Thiết kế anten PIFA 11

1 T$nh toán các thông số 11

2 Mô phỏng anten bằng phần mềm HFSS 14

DANH MỤC HÌNH VẼ HGnh 1: Lịch sử hGnh thành anten PIFA từ anten đơn cực (Monopole) 4

HGnh 2: HGnh ảnh thiết kế 3D của anten PIFA 5

HGnh 3: HGnh ảnh thiết kế anten PIFA nhGn từ trên xuống 6

HGnh 4: HGnh ảnh thiết kế anten PIFA nhGn chiếu cạnh 6

HGnh 5: Mô hGnh điện 7

HGnh 6: Anten PIFA 8

HGnh 7: Cấu trúc anten PIFA 8

HGnh 8: Antenna PIFA băng tần kép cho hệ thống wifi MIMO 10

HGnh 9: Anten PIFA trong điện thoại di động 11

HGnh 10: Cấu trúc của anten PIFA 12

HGnh 11:Bảng thông số anten PIFA 14

HGnh 12: Anten pifa được thiết kế bằng phần mềm HFSS 15

HGnh 13: Đồ thị S(1,1) của anten 16

I.Giới thiệu

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ kéo theo đó là các hệ thống RL và kết nối không dây trở nên phức tạp hơn Một thành phần quan trọng trong các thiết bị đầu cuối chính là anten Các ngành mong đợi tốc độ dữ liệu cao hơn, độ trễ thấp hơn, độ tin cậy và hiệu suất cao hơn Giữa sự phức tạp này, việc lựa chọn và tích hợp anten - một thành phần quan trọng trong các thiết bị đầu cuối Ngoài ra, do bức xạ của anten, điều quan trọng là các mối nguy hiểm ảnh hưởng đến cơ thể con người Trước đây, điện thoại di động rất nặng và có anten bên ngoài trên điện thoại cao nhất và phần lớn tín hiệu bức xạ được nhân đôi và hấp thụ bởi đầu của con người Có rất nhiều anten có sẵn để lựa chọn tùy thuộc vào ngành, thiết kế RF và công nghệ hoặc ứng dụng không dây Chọn loại tốt nhất có thể là một nhiệm vụ khó khăn Có nhiều lựa chọn anten với nhiều kích cỡ, hGnh dạng, hiệu suất và chi phí khác nhau – tất cả các yếu tố đều quan trọng trong việc lựa chọn anten Với tất cả những lựa chọn này

và sự phức tạp của thiết kế RF, không có giải pháp anten nào phù hợp cho tất cả

Hiểu các loại ăn anten khác nhau, cách chúng hoạt động và chúng hoạt động tốt nhất trong môi trường nào có thể giúp bạn chọn giải pháp anten tốt nhất cho thiết bị hoặc hệ thống của mGnh

Với cấu trúc đơn giản, kích thước, trọng lượng gọn nhẹ,chi phí chế tạo rẻ làm cho anten PIFA đã và đang trở thành một trong những loại anten được

sử dụng nhiều trong các hệ thống di động vừa và nhỏ

II.Lịch sử anten PIFA

Anten PIFA là một loại anten được cải tiến dựa trên anten IFA Nó được phát triển vào những năm 1980

HGnh bên dưới thể hiện quá trGnh hGnh thành lên anten PIFA:

 Anten ngược L được tạo ra bằng cách gấp anten đơn cực, để giảm chiều cao của anten

 Khi nguồn cấp dữ liệu được áp dụng cho anten ngược L, ta được loại anten mới là anten ngược F

 Dây trên cùng mỏng của anten ngược F được thay thế bằng phần tử mặt phẳng (planar) để có được anten PIFA

Hnh 1: Lịch sử hnh thành anten PIFA từ anten đơn cực (Monopole)

Vào năm 2016, Surender Rana, Abhishek Thakur, Hardeep Singh Saini, Rajesh Kumar, họ đã thiết kế anten F ngược (PIFA) cho thiết bị cầm tay và thiết bị không dây giao tiếp có cấu hGnh thấp và thiết bị theo dõi rộng được cung cấp anten xuất hiện rộng rãi Dải tần số từ 1,35 GHz đến 2,51 GHz với sự cải thiện, khả năng khớp trở kháng bao gồm các băng tần GPS, DCS, máy tính, 3G, 4G và WLAN / Bluetooth với VSWR 2

2016, S Jeevagan và cộng sự đề xuất một anten được hỗ trợ với khe cắm hGnh nơ

Thiết kế đề xuất được chế tạo trên Rogers RT Duroid 5880 Cộng hưởng thứ nhất và thứ hai lần lượt là 9,98 GHz và 10,6 GHz Băng thông của anten được đề xuất là 1,03 GHz (9,43%) và mức tăng 3,7 dBi

III.Lý thuyết anten PIFA

1.Cấu trOc anten PIFA

Anten PIFA là một anten phẳng hGnh f đảo ngược có cấu trúc như hGnh dưới đây

Hnh 2: Hnh ảnh thiết kế 3D của anten PIFA

Anten được thiết kế có phần bức xạ chính là một patch mỏng , phẳng , có dạng hGnh chữ nhật đặt trên nền chất điện môi không dƒn điện có hằng số điện môi và chiều cao Miếng patch này được ghim xuống mặt phẳng nối đất (ground plane)bởi một phiến mỏng có độ rộng Ws được gọi

là shorting sheet/pin (short plate) Anten được tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc tiếp diện vi dải

Điểm khác biệt lớn nhất của anten pifa với anten vi dải thông thường

là sự xuất hiện của pin ở anten PIFA Pin thường làm bằng vật liệu dƒn điện

có dạng hGnh trụ hoặc dạng tấm mỏng hGnh chữ nhât , nó có nhiệm vụ nối giữa patch với ground , nó giúp làm giảm kích thước của anten Vị trí của pin khoảng cách của pin và feed , hay kích thước , vật liệu của các phần

tử khác đều ảnh hưởng nhất định tới tần số cộng hưởng củ anten

Hnh 3: Hnh ảnh thiết kế anten PIFA nhn từ trên xuống

Hnh 4: Hnh ảnh thiết kế anten PIFA nhn chiếu cạnh.

2.ĐPc tQnh

 T„ lệ hấp thụ riêng SAR (Specific absorption rate) thấp

 Băng thông hẹp : là một trong những hạn chế đối với ứng dụng thương mại của nó cho di động không dây

Trụ rút ngắn gần điểm thăm dò nguồn cấp dữ liệu của các loại PIFA thông thường là phương pháp tốt để giảm kích thước anten, nhưng điều này dƒn đến băng thông trở kháng hẹp

 Phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng đối với anten PIFA được thực hiện bằng cách xác định vi trí đặt của Feed Plate và tối ưa hóa không gian giữa chúng Điều cốt lõi là khi thiết kế anten PIFA là không dùng bất kỳ thành phần phụ nào để ghép nói mạng , vG vậy tránh được nữa t†n thất không đáng có

 Mô hGnh điện

Có thể coi phần ngắn mạch giống như điện cảm song song với Ground , còn phần hở mạch bên trái có thể coi như những điện dung Khoảng cách từ miếng Feed đến short pin xác định điện cảm , tương tự với

nó , khoảng cách từ miếng feed đến cạnh của patch các định điện dung

Hnh 5: Mô hnh điện

Những ‘’ điện cảm’’ và “điện dung “ này tạo thành mạch dao động LC dao động với tần số f nào đó Điều chŠnh vị trí Feed, kích thước của patch có thể cho ta được tần số cộng hưởng mong muốn

3.Nguyên lý hoạt động

Angten PIFA thường được thiết kế hoạt động bởi kích thước của miếng Patch bằng ¼ bước sóng cộng hưởng như hGnh 6 bên dưới Có được đặc điểm như vậy là do sự xuất hiện của pin anten pifa, giúp giảm nhỏ kích thước của anten pifa đi ½ lần so với các anten vi giải khác (thường được cộng hưởng với kích thước patch bằng ½ lần bước sóng hoạt động) HGnh dưới đây là mặt cắt của anten Pifa nằm ngang:

Hnh 6: Anten PIFA

Chúng ta có một anten Pifa có chiều dài L1, chiều rộng L2, pin có chiều rộng W ban đầu ở một cạnh của Pifa Điểm nạp cách pin một khoảng D Anten cách mặt đất một khoảng là h Anten được đặt trên một chất

điện môi với hàng số điện môi là €

Hnh 7: Cấu trúc anten PIFA

Trở kháng của anten có thể kiểm soát thông qua khoảng cách D Khoảng cách D càng nhỏ trở kháng càng giảm, trở kháng có thể được được tăng

lên bằng cách tăng khoảng cách D Anten Pifa có thể điều chŠnh trở kháng bằng thông số D này

Tần số cộng hưởng của Pifa phụ thuộc vào W Nếu W = L2, anten Pifa cộng hưởng (có hiệu suất bức xạ cực đại) khi:

W = L2 => L1 = λ/4

Giả sử W=0 hoặc W << L2 thG Pifa cộng hưởng khi:

W = 0 => L1 + L2 = λ/4

Tóm lại chúng ta có thể ước lượng độ dài cộng hưởng của Pifa như hàm của các tham số sau:

L1 + L2 – W = λ/4

4.Nguyên lý bức xạ

Dạng bức xạ của anten Pifa là sự kết hợp của một anten bản vá (patch anten) và một anten F đảo ngược Một số sửa đ†i, chẳng hạn như khe chữ U, có thể được kết hợp với Pifa để thu được nhiều cộng hưởng cần thiết trong thông tin di động

5 Ưu điểm và nhược điểm

o Ưu điểm

- Chế tạo dễ dàng, chi phí sản xuất thấp và cấu trúc đơn giản

- Có thể ẩn vào vỏ của điện thoại di động, có thể dễ dàng đặt trong các thiết bị

có kích thước nhỏ và trung bGnh

- Gain theo hai hướng phân cực dọc và ngang đều ở mức chấp nhận được Tính

năng này rất hữu ích trong một số thông tin liên lạc không dầy nhất định, nơi anten định hướng không cố định và các phản xạ có mặt từ các góc khác nhau của môi trường

- Ưu điểm của PIFA là giảm bức xạ ngược về phía đầu người dùng, giảm thiểu sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ (SAR) với con người, đảm bảo sự

an toàn cho người sử dụng Việc giảm thiểu sự hấp thụ sóng điện từ này giúp nâng cao hiệu suất làm việc của anten

o Nhược điểm

- Băng thông hẹp là nhược điểm của loại anten này Việc đặt Feed Plate và Short Plate là một cách rất tốt để giảm thiểu kích thước anten, nhưng đi cùng với nó là giảm băng thông

- Ngoài ra, do có kích thước nhỏ, bất kG sự sai lệch nào cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả hoạt động của anten nên khó sản xuất trong điều kiện công nghiệp chế tạo tại Việt Nam Tuy nhiên, tùy vào thiết bị, yêu cầu thiết

kế, ta sẽ phải cân bằng giữa những ưu nhược điểm của anten PIFA để cải thiện băng thông như thay đ†i chất nền hay hằng số điện môi của vật liệu

6 Ứng dụng

Với những ưu điểm của anten PIFA đã đề cập ở trên như: kích thước nhỏ so với anten nửa bước sóng, cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp có thể

dễ dàng ẩn trong vào vỏ của các hệ thống di động có kích thước nhỏ và trung bGnh, nên anten PIFA là loại anten được sử dụng nhiều nhất trong các

hệ thống di động như: điên thoại, wifi, thẻ RFID, WLAN (mạng cục bộ không dây) Ngoài ra, anten PIFA đa băng tần có thể được sử dụng để kết hợp các nguồn cấp dữ liệu anten cho các thiết bị liên lạc không dây, hệ thống định vị vệ tinh và radio trên ô tô

Hnh 8: Antenna PIFA băng tần kép cho hệ thống wifi MIMO.

Hnh 9: Anten PIFA trong điện thoại di động

V.Thiết kế anten PIFA

1 TQnh toán các thông số

Bài toán: Thiết kế anten PIFA hoạt động tại hai băng tần tại 1.8 GHz và 3.7 GHz

- Chọn anten PIFA khe chữ L để thiết kế, tức là chèn thêm khe có hGnh dạng chữ L vào miếng patch

- Cấu tạo của anten gồm:

 Mặt phẳng GND hGnh chữ nhật kích thước 50mmx100mm

 Đế điện môi FR4_epoxy với hăng sô điện môi Ɛ’=4.4, hệ sô t†n hao vật liệu tanδ = 0.025 Đế điện môi có dạng hGnh hộp chữ nhật với kích thước đáy là 30mm x 50mm, bế dày Ts Đế điện môi được đặt ở chiếu cao Hs so với mặt phẳng đầt

 Miếng patch hGnh chữ nhật với kích thước L x W, năm trến đế điện môi FR4_epoxy

 Khe chữ L được chia thành 2 phần: khe dọc và khe ngang Khe dọc hGnh chữ nhật có kích thước L2 x grosorv, khe ngang hGnh chữ nhật

có kích thước là L3 x grosorh

 Anten được tếp điện băng cáp đông trục băng đông có trở kháng đặc tnh là 50 ôm, có đườngn kính ngoài D = 1.4mm, đường kính lõi d = 0.6mm Các thông số được tính toán trên trang web

https://www.pasternack.com/t-calculator-coax-cutoff.aspx

Hnh 10: Cấu trúc của anten PIFA

- Tính toán các thông số của anten Với anten PIFA khe chữ L hoạt động ở hai băng tần ta có công thức tính tần số như sau:

Trong đó:

 c=3.108 m/s

 L, W lần lượt là chiều dài và chiều rộng của miếng patch

 h là chiều cao của miếng short plate

 L2, L3 là chiếu dài của khe dọc và khe ngang tạo thành khe chữ L

 Ɛ là hằng sô điện môi được tnh theo công thức sau:



Ɛ’=4.4 là hằng sô điện môi của đế điện môi FR4_epoxy Ɛ’’=1, là hằng sô điện môi của miến không gian giữa mặt phẳng đầt và tấm điện môi (ở đây là không khí)

Hs là chiều cao của tấm điện môi so với mặt phẳng đất

Ts là bề dày của tấm điện môi

- Để thỏa mãn yêu cầu bài toán, chọn hai giá trị f=1.8 Ghz, F=3.7 GHz

- Tiếp theo ta tính được L2+L3 = 19mm

- Ta tính được L + W + h = 39mm

Từ đó ta tính toán được các thông số còn lại của cầu trúc anten khe

chữ L, được cho bởi bảng sau:

Hnh 11:Bảng thông số anten PIFA

Chú ý:

Ngoài các thông số của anten được tính toán bởi công thức, thG các thông sô khác như độ rộng của miếng short plate (w), khoảng cách từ short plate đến feed plate (r) cũng ảnh hưởng đến tần số hoạt động của anten

2 Mô phỏng anten bằng phần mềm HFSS

- Sau khi tính toán các thông số của cấu trúc anten PIFA, ta tiến hành

mô phỏng cấu trúc anten bằng phần mềm HFSS

- Các bước mô phỏng chính:

 Vẽ mặt phẳng đất, miếng patch, short plate và đế điện môi với các thông số đã tính toán

 Sau đó, đ†i vật liệu cho đế điện môi thành FR4_epoxy, gán vật liệu cho mặt phẳng đầt, miếng patch và short plate là đồng

 Tạo khe chữ L

Ta vẽ 2 hai hGnh chữ nhật là khe dọc và khe ngang, sau đó Unite hai hGnh này lại

Để tạo khe chữ L, ta dùng công cụ Subtract để tạo khe chữ L trong miếng patch

 Tiếp điện cho anten

Vẽ cáp đông trục với đường kính ngoài D = 1.4 mm, đường kính lõi d=0.6 mm

Để tiếp điện, ta vẽ một hGnh tròn nằm ở đáy của cáp đông trục,

có tâm trùng với cáp đồng trục và có đường kính bằng D’= 0.7 mm Sau đó dùng công cụ lumped port, vẽ một đường thẳng từ vòng ngoài

 Tạo miền bức xạ cho anten

 Cài đặt tần số hoạt động cho anten

 Kiểm tra và chạy mô phỏng

Hnh 12: Anten pifa được thiết kế bằng phần mềm HFSS

- Cuối cùng chạy mô phỏng, và ta thu được kết quả đồ thị S(1,1) như hGnh:

Hnh 13: Đồ thị S(1,1) của anten

Ta thấy anten hoạt động tại hai băng tần 1.8GHz và 3.7GHz, thỏa mãn yêu cầu bài toán đưa ra

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 https://www.antenna-theory.com/antennas/patches/pifa.php

2 https://en.wikipedia.org/wiki/Inverted-F_antenna

3 Do You Know Your PIFAs? (lairdconnect.com)

4 Pimienta-Del Valle Domingo & Lagar-Perez Raidel, “Design of a Dual-Band PIFA for Handset Devices and it Sar”, 2015

5 Nahla Ali Tomah, Fadhel Abd Alzahra, Faris Mohammed Ali,

”PIFA Antenna Design for 5G Wireless Application”, 2020.