Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Khảo sát các phương án cấu trúc Anten Planar cho hệ thống UWB

DANH SÁCH HÌNH VẼ & BẢNG BIỂU Hình 1.1 Phổ của hệ thống UWB và một số hệ thống khác Hình 1.2 Kết nối các thiết bị sử dụng UWB Hình 1.3 Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau

Khái quát công nghệ UWB

Giới thiệu

Sự phát triển nhanh chóng gần đây trong công nghệ và triển khai thương mại thành công của truyền thông không dây đang ảnh hưởng đáng kể cuộc sống hàng ngày Quá trình chuyển đổi từ analog sang digital truyền thông di động, sự gia tăng của hệ thống vô tuyến thế hệ thứ ba và thứ tư và thay thế kết nối có dây với Wi-fi và bluetooth được cho phép người tiêu dùng truy cập vào một loạt các thông tin từ bất cứ nơi nào và bất cứ lúc nào Do nhu cầu tiêu dùng cho nhu cầu cao hơn, dịch vụ nhanh hơn và an toàn hơn tăng kết nối không dây, công nghệ mới nâng cao phải tìm vị trí của mình trong (RF) phổ tần số vô tuyến đông đúc Điều này là bởi vì mỗi công nghệ vô tuyến phân bổ một phần cụ thể của quang phổ; ví dụ, các tín hiệu cho TV, radio, điện thoại di động, và như vậy được truyền trên các tần số khác nhau để tránh sự can thiệp với nhau Kết quả là, các hạn chế về sự sẵn có của quang phổ RF ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn với sự ra đời của dịch vụ vô tuyến mới

Công nghệ UWB giải quyết vấn đề giới hạn phổ tần RF bằng cách cho phép các dịch vụ mới tồn tại song song với các hệ thống vô tuyến hiện tại, tối thiểu hóa hoặc không gây nhiễu Ưu điểm này loại bỏ nhu cầu cấp giấy phép phổ tần tốn kém mà các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến điện khác phải đối mặt.

Lịch sử

Công nghệ UWB về cơ bản khác với tất cả các kỹ thuật truyền thông khác bởi vì nó sử dụng xung RF rất hẹp để giao tiếp giữa máy phát và thu Bằng cách sử dụng các xung thời gian ngắn như các khối xây dựng để liên lạc trực tiếp tạo ra một băng thông rất rộng và cung cấp một số lợi thế, chẳng hạn như lưu lượng lớn và cùng tồn tại với các dịch vụ phát thanh hiện tại

UWB truyền thông không phải là một công nghệ mới; trong thực tế, nó lần đầu tiên được sử dụng bởi Guglielmo Marconi vào năm 1901 để truyền tải mã Morse trình tự qua Đại Tây Dương bằng cách sử dụng thiết bị phát tia lửa khoảng cách Tuy nhiên, lợi ích của một băng thông lớn và khả năng thực hiện các hệ thống đa người dùng được cung cấp bởi xung điện không bao giờ được xem xét vào thời điểm đó

Khoảng năm mươi năm sau khi Marconi, truyền xung hiện đại dựa trên đạt được đà trong các ứng dụng quân sự trong các hình thức của radar impluse

Một số những người tiên phong của truyền thông UWB hiện đại tại Hoa Kỳ từ cuối những năm 1960 là Henning Harmuth của Catholic University of America và Gerald Ross và K.W.Robins của Sperry Rand Corporation [6] Từ những năm 1960 đến những năm 1990, công nghệ này đã được giới hạn trong quân đội và Bộ Quốc phòng (Bộ Quốc phòng) ứng dụng trong các chương trình phân loại như thông tin liên lạc bảo mật cao Tuy nhiên, sự tiến bộ gần đây trong microprocessing và nhanh chóng chuyển đổi trong công nghệ bán dẫn đã làm cho UWB sẵn sàng cho ứng dụng thương mại Vì vậy, nó là thích hợp hơn để xem xét UWB như một tên mới cho một công nghệ dài tồn tại

HVTH : Nguyễn Thành Tín GVHD : TS.Phan Hồng Phương

Nhận thấy sự quan tâm đến ứng dụng thương mại của công nghệ UWB gia tăng trong những năm gần đây, các nhà phát triển hệ thống UWB đã kêu gọi FCC chấp thuận Báo cáo và Đơn đặt hàng đầu tiên (R&O) cho phép sử dụng thương mại công nghệ UWB với hạn chế phát xạ chặt chẽ đối với các thiết bị khác nhau.

Tín hiệu UWB

Theo quy định của FCC’ First Report, tín hiệu UWB phải có băng thông lớn hơn 500MHz hoặc một phần băng thông lớn hơn 20 phần trăm tại tất cả các lần truyền [7] Băng thông phân đoạn là một yếu tố được sử dụng để phân loại tín hiệu như hẹp, băng rộng, hoặc siêu-băng rộng và được xác định bởi tỷ lệ băng thông tại -10dB điểm tần số trung tâm

  f h và f l là tần số cao nhất và thấp nhất cắt tại -10dB

Hình 2.2 tần số cao nhất và tần số thấp nhất được cắt tại -10dB xấp xỉ là

1,2GHz và 2.8GHz, dẫn đến phần nhỏ băng thông 80% lớn hơn mức tối thiểu Bf yêu cầu bởi FCC:

 Đây là phân loại tín hiệu dựa trên phân đoạn băng thông:

Các chuẩn qui định

Các quy định của FCC về thiết bị UWB có thể chia làm ba nhóm chính: thông tin truyền thông, hình ảnh và hệ thống radar giao thông

Thiết bị thông tin truyền thông, FCC quy định giới hạn phát khác nhau cho các thiết bị UWB trong nhà và ngoài trời Mặt nạ phổ cho các thiết bị ngoài trời là 10dB thấp hơn so với các thiết bị trong nhà, giữa 1.61 GHz và 3.1 GHz, như thể hiện trong hình 2.3

Theo quy định của FCC thiết bị UWB trong nhà có các thiết bị cầm tay, và các hoạt động nên được giới hạn peer-to-peer để hoạt động bên trong các tòa nhà

Hình 2.3 Giới hạn phát UWB cho thiết bị cầm tay ngoài trời 2.4.2 Imaging devices

Hình 2.4 biểu thị giới hạn phát FCC cho UWB thiết bị hình ảnh xuyên qua tường Hoạt động của các thiết bị này là hạn chế cho đội ngũ thực thi pháp luật và giải cứu

Hình 2.4 Giới hạn phát UWB cho Imaging devices 2.4.3 Hệ thống radar giao thông

Hệ thống radar giao thông được phép phát ra mức công suất -41,3 dBm/MHz trong dải tần số từ 22 GHz đến 29 GHz Tần số trung tâm của tín hiệu cao hơn 24,075 GHz Thiết bị radar có thể được gắn trên xe giao thông trên mặt đất và được kích hoạt khi xe đang di chuyển hoặc đứng yên.

Hình 2.5 Giới hạn phát UWB cho hệ thống radar xe

GIỚI THIỆU VỀ ANTEN

Lý thuyết chung về anten

Trong một hệ thống vô tuyến, một sóng điện từ lan truyền từ máy phát đến máy thu qua không gian Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện theo 2 cách:

Dùng các hệ thống truyền dẫn nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi…sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

Bức xạ sóng ra không gian: sóng đã được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do Do đó thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu sóng điện từ không gian bên ngoài gọi là anten

Một anten hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp giữa các thiết bị dẫn đường (ống dẫn, đường truyền) và không gian

Anten là thiết bị bức xạ và thu năng lượng Chúng ta đã thấy anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóng điện từ Anten quyết định rất nhiều các tính chất khác nhau của các tuyến thông tin liên lạc

Anten có nhiều dạng và nhiều cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp Ta có 2 loại anten là anten vô hướng (Omni-Directional) và anten định hướng (Directional) Anten vô hướng là anten truyền tín hiệu RF theo tất cả các hướng theo trục ngang (song song mặt đất) nhưng bị giới hạn bởi trục dọc (vuông góc với mặt đất) Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ (hoặc thu) sóng điện từ theo 1 hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng D ( , ) và độ lợi G ( , )

17 D ( , ) mô tả kiểu bức xạ, G ( , ) cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ)

3.1.2 Đặc tính bức xạ điện từ của anten

Trong phát xạ của anten, phát xạ dây dẫn là yếu tố chính vì dòng biến đổi theo thời gian hay gia tốc (giảm tốc độ) của điện tích Nếu không có sự chuyển động của điện tích trong dây dẫn, sẽ không có phát xạ xảy ra, dẫn đến không xuất hiện dòng điện

Phát xạ sẽ không xảy ra ngay cả khi điện tích chuyển động với vận tốc đều dọc theo dây dẫn thẳng

Hình 3.1: Phát xạ của một anten

Sự phát xạ từ một anten được giải thích bởi hình 2.1 cho thấy nguồn điện áp kết nối với hai dây truyền

Khi có một điện áp hình sin đi qua đường truyền, một điện trường sẽ được hình thành, đó là hình sin và tiếp tuyến với đường truyền

18 Độ lớn của điện trường được tính bởi cường độ dòng điện Các electron tự do trên dây dẫn ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và chuyển động của các điện tích này là nguyên nhân dẫn đến việc hình thành một từ trường

Vì điện trường và từ trường thay đổi theo thời gian, sóng điện từ được hình thành và có sự dịch chuyển qua lại các sóng điện từ này giữa các dây dẫn

Khi các sóng điện từ này đi vào không gian, các sóng không gian tự do được hình thành bởi sự đóng tắt dòng điện

Vì khi nguồn hình sin liên tục tạo ra sự nhiễu loạn điện, các sóng điện từ cũng được tạo ra liên tục và có sự chuyển dịch các sóng này xuyên qua đường truyền, qua anten và được phát xạ vào không gian

Trong đường truyền và anten sóng điện từ đươc duy trì liên tục bởi các điện tích, nhưng nhanh chóng được đẩy vào không gian, tạo thành những vòng kín và được phát xạ

Nguyên lý chung của bức xạ điện từ là sự thay đổi vận tốc của điện tích Theo đó, phương trình bức xạ điện từ được thể hiện qua công thức:

I :dòng điện thay đổi theo thời gian [A/s]

L : chiều dài phần tử mang dòng điện [m]

v : vận tốc thay đổi theo thời gian (gia tốc) của điện tích [m/ s 2 ].

Các tham số cơ bản của anten

Các tham số cơ bản của anten là nền tảng để hiểu anten được sử dụng như thế nào trong hệ thống thông tin vô tuyến Các tham số cơ bản của anten bao gồm: độ lợi, độ định hướng, đồ thị bức xạ và phân cực Các đặc trưng khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng, góc mở hiệu dụng được suy ra từ 4 tham số cơ bản trên Trở kháng đầu cuối (đầu vào) cũng là một tham số cơ bản khác khá quan trọng Nó cho ta biết

19 trở kháng của anten để kết hợp một cách hiệu quả công suất đầu ra của máy phát với anten hoặc để kết hợp một cách hiệu quả công suất từ anten vào máy thu

3.2.1 Đồ thị bức xạ (Radiation pattern)

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi

Hình 3.2 Hệ thống tọa độ để phân tích anten

Trên thực tế, biểu diễn đồ họa 3D có thể được thực hiện thông qua hai sơ đồ 2D Thường chỉ quan tâm đến sơ đồ là hàm của biến θ với một số giá trị đặc biệt của .

20 giản đồ là hàm của  với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính:

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng

Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại”

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình

2.4 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với [ f() , θ = π/2] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g(θ),  = const]

Hình 3.3 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten

21 thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ được thể hiện trong hình 2.4 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với =0 ) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π/2) là mặt phẳng H

Hình 3.4 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa

Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten Búp sóng là độ rộng của tín hiệu RF mà anten phát ra Búp sóng dọc được đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao

Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10dB so với giá trị cực đại Búp sóng của trường bức xạ thường được phân loại như sau:

− Búp sóng chính (major lobe)

− Búp sóng phụ (mino lobe)

− Búp sóng cạnh (side lobe)

− Búp sóng phía sau (back lobe)

Trong đó 2 đại lượng cần quan tâm là độ rộng nửa công suất (HPBW - Haft - Power Beamwidth) và độ rộng First – Null (FNBW – First Null Beamwidth)

− Độ rộng nửa công suất (HPBW): là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng một nửa giá trị cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xạ ở 2 hướng này giảm 3dB so với hướng cực đại) Độ rộng

23 nửa công suất HPBW là thông số được sử dụng để đánh giá độ bức xạ của anten trong kỹ thuật radar và vô tuyến thiên văn

− Độ rộng First – Null (FNBW): là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng 0 nằm hai bên hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng Thông thường có thể xấp xỉ FNBW  2HPBW

(a) Độ rộng nửa công suất

(b) Độ rộng First – Null Hình 3.6: Độ rộng giữa các giá trị không đầu tiên

 Vùng trường gần và vùng trường xa

Có nhiều loại trường kết hợp với ăng-ten, chúng thay đổi theo và tương thích với hai loại năng lượng: năng lượng phát xạ và năng lượng phản xạ Không gian xung quanh ăng-ten được chia làm 3 vùng riêng biệt.

♦ Vùng phản xạ trường gần: trong vùng này trường phản xạ chiếm ưu thế

Năng lượng phản xạ dao động hướng tới và đi từ anten, do đó xuất hiện như là điện kháng Trong vùng này năng lượng chỉ được lưu mà không được tiêu tán Ranh giới ngoài cùng của khu vực này là khoảng cách R10,62 D 3 / với R1 là khoảng cách tính từ bề mặt anten, D là kích thước lớn nhất của anten và λ là bước sóng

CÔNG NGHỆ ANTEN VI DẢI

Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác

Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular ring)

Hình 4.1: Các dạng anten vi dải thông dụng

Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải

Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một dipole Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng

31 trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau Anten dipole vi dải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải

Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của một đế được nối đất (ground substrate) Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến, Anten loại này bức xạ theo hai hướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe

♦ Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA) MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền TE Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire.

Các đặc tính của anten vi dải

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm Tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

− Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng

− Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt

− Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản

− Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten

32 − Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền

− Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng

− Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân

− MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai

− Một số MSA có độ lợi thấp

− Khả năng tích trữ công suất thấp

− Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất

− Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng

Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng

♦ Một số ứng dụng của MSAs:

− Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường được dùng

− Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ

− Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

− Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng

GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.

Băng thông của MSA

Như ta đã biết, hạn chế lớn nhất của MSA là độ rộng của băng thông Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ Đối với các anten phân cực tròn,

BW được tính theo hệ số quanh trục (AR)

BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng của anten nằm trong một giới hạn cho trước.

33 Với VSWR được xác định bởi hệ số phản xạ Γ:

   Hệ số phản xạ Γ đánh giá tín hiệu phản xạ tại điểm feed của anten, Γ được xác định bởi trở kháng vào Z in của anten và trở kháng đặc tính Z o của feedline: in o in o

Thông thường, BW được xác định trong vùng tần số mà VSWR nhỏ hơn 2

(return loss < 10dB hay công suất phản xạ < 11%) Đối với những ứng dụng đặc biệt VSWR < 1.5dB (return loss < 14dB hay công suất phát xạ < 4%)

Với tiêu chuẩn VSWR< 2, ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của BW (tính theo

%) theo h/λ o với các thông số ε r khác nhau (ε r =2.2 và ε r )

Công thức gần đúng cho BW:

Từ công thức trên ta thấy khi ta tăng W thì có thể tăng BW, tuy nhiên W bị giới hạn bởi λ vì nếu W >λ ta không thể truyền đơn mode.

Nguyên lý bức xạ của anten vi dải

Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự như là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ số điện môi tương đối thấp Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định

34 từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch

Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần (microwave source) Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất

Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình thành do các lực tương tác giữa các điện tử cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độ dòng mặt dưới J b và vectơ mật độ dòng mặt trên J t

Hình 4.2: Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật

Do trong hầu hết các anten tỷ số h W là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch bề mặt Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa của patch Do vậy, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có thể thành lập các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả định này càng hợp lý hơn trong trường hợp đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi  r lớn Tương tự như trường hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không đổi và trường

35 điện gần như vuông góc với bề mặt của patch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity) với các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với bề mặt của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp tuyến gần như bằng không) Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ có các mode TM là có thể truyền trong hốc cộng hưởng

Bốn bức tường bên của hốc cộng hưởng tương ứng cho bốn khe bức xạ

Patch của anten vi dải có thể tượng trưng bằng một vectơ mật độ dòng J t tương ứng Trong khi đó, bốn khe bức xạ ở các mặt bên được đặc trưng bằng các vectơ mật độ dòng J s và M s lần lượt tương ứng với trường từ H a và trường điện E a trong các khe bức xạ

Hình 4.3: Mô hình hốc cộng hưởng anten vi dải

Vì ta xét đế điện môi có độ dày mỏng nên mật độ dòng trên J t rất bé so với mật độ dòng dưới J b của patch Do đó, J t sẽ được đặt bằng không để chỉ ra rằng hầu như không có bức xạ từ bề mặt của patch Tương tự như thế, các trường từ tiếp tuyến dọc theo rìa của patch và mật độ dòng tương ứng M s được đặt bằng không

Do vậy, chỉ còn lại một thành phần mật độ dòng khác không là vectơ mật độ dòng

dọc theo chu vi patch Để biểu diễn sự hiện diện của mặt phẳng đất ta sử dụng lý thuyết ảnh rằng mật độ dòng sẽ tăng gấp đôi so với khi chưa xét mặt phẳng đất

Mật độ dòng mới sẽ là:

36 Trường điện trong khe bức xạ xác định:

  đối với hai khe có chiều dài W và độ cao h

  đối với khe có chiều dài L và độ cao h

Do các điều kiện xét trên, ta nhận ra là kết quả bức xạ của khe dọc theo chiều của trục x thì hầu như bằng không vì phân bố dòng bằng và đảo dấu với nhau trong các khe Tuy nhiên, kết quả bức xạ dọc theo chiều của trục y tồn tại dưới dạng một dải hai thành phần với các thành phần mật độ dòng cùng biên độ và pha và cách nhau một khoảng L – chiều dài của patch Do đó, bức xạ từ patch có thể được miêu tả dưới dạng hai khe dọc (vertical slots)

Hình 4.4 Dòng tương đương tại hai khe bức xạ

Việc phân tích các khe dọc này trong môi trường điện môi không đồng nhất là một vấn đề hết sức khó khăn nên các khe dọc này được thay thế bởi hai khe phẳng (planar slots) Đối với các loại anten vi dải có cấu hình khác cũng có thể được tượng trưng bởi các khe tương ứng cùng loại.

Trường bức xạ của anten vi dải

Trường bức xạ từ anten vi dải do dòng từ bề mặt giống như bức tường dọc theo chu vi patch Ở một phương pháp khác nhưng kĩ hơn, trường bức xạ được xác định từ dòng điện bề mặt trên miếng patch dẫn điện của anten vi dải Cả hai phương pháp này được xem là tương đương nhau Sự bức xạ của anten vi dải đôi lúc được xem như là sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch Đồ thị bức xạ của một đầu

37 hở của đường truyền vi dải tương tự như đồ thị bức xạ của một dipole Hertz

Phương pháp này được ứng dụng để đánh giá ảnh hưởng của bức xạ trên hệ số phẩm chất Q của khung cộng hưởng vi dải Lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng ở tần số cao, suy hao do bức xạ vượt trội hơn nhiều so với suy hao do điện dẫn và điện môi Ngoài ra, đường truyền vi dải hở mạch bức xạ công suất mạnh hơn khi được chế tạo với điện môi dày sở hữu hằng số điện môi thấp.

KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN CẤU TRÚC ATNEN PLANAR CHO HỆ THỐNG UWB

Khảo sát anten có patch hình lục giác

Trong nghiên cứu này, một Anten monopole UWB Band-Notch tại 3.3GHz - 3.7GHz (WLAN) và 5.15GHz – 5.825 GHz (WIMAX) được cải tiến Anten UWB ban đầu chủ yếu bao gồm một patch bức xạ hình lục giác và mặt Ground Plane rãnh tròn Để đạt được đặc tính Band-Notch tại 3.3 GHz – 3.7 GHz và 5.1GHz – 5.8 GHz, một cặp dải kép - L – hình nhánh được thêm vào mặt Ground Plane đối xứng

Ngoài ra, một nhánh bao gồm hai dải khác nhau chiều dài, nhưng hai dải cùng một vòng tròn chung một tâm Dải khác nhau kiểm soát Notch băng tần khác nhau Một số thông số quan trọng ảnh hưởng đến các đặc tính của Band-Notch được nghiên cứu đặc biệt Cuối cùng Anten được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm Kết quả mô phỏng và đo đạc cũng được so sánh và thảo luận trong đó cho thấy các phân tích lý thuyết và thực hành là phù hợp Anten được thiết kế ổn định đồ thị bức xạ và biểu diễn omni-direction tốt trên toàn bộ băng tần hoạt động

5.1.2 Cấu trúc anten và phân tích

Bản thiết kế, phân tích UWB của tác giả Xianglong Liu, Yingzeng Yin, Pingan Liu, Junhui Wang, and Bin Xu trong bài báo “A CPW-FED DUAL BAND-NOTCHED UWB ANTENNA WITH A PAIR OF BENDED DUAL-L- SHAPE PARASICTIC BRANCHES " [8]

Cấu trúc của Anten với các thông số hình học được mô tả trong hình 4.1

Anten được in trên bề mặt dày 1.2mm của đế FR4 có hằng số điện môi là 4,4 và hệ số tổn hao là 0,02 Kích thước tổng thể của Anten là 40 x 30 mm

39 Tất cả các giá trị của các tham số được đưa ra trong bảng 1, và một số các thông số thiết kế sẽ được nghiên cứu trong sau cuộc thảo luận Phân tích Anten được thực hiện bằng cách sử dụng ANSYS HFSS 13.0

Bảng 5.1: Tối ưu kích thước hình học Anten lục giác

Chiều dài của hai nhánh uốn cong l1 và l2 theo công thức sau :

Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do,  r là hằng số điện môi của chất nền và f i (i = 1,2) là tần số trung tâm để band-notch Đối với tần số 5,5 GHz, giá trị về mặt lý thuyết tính toán L 1 = 8.3mm, và độ dài uốn cong thực tế là l1 + R – R2 – w2 = 6.9 + 14 -12 – 0.29 = 8.61mm; Đối với tần số 3,5 GHz, L 2 13,1 mm, chiều dài uốn cong thực tế: l2 + R – R1 – w1 = l2.2 + 14 – 12.95 – 0.18 13.07mm Việc so sánh các lý thuyết tính toán và mô phỏng kết quả cho thấy lý thuyết thiết kế phù hợp với thực tiễn

Hình 5.2 minh họa cho mạch tương đương của Anten Để thực hiện mạch này, bắt đầu từ cổng nguồn cấp dữ liệu của Anten Từ mỗi nhánh là λ/4 tại tần số cộng hưởng riêng, L1C1 với tần số cộng hưởng tại 3.5 GHz và L2C2 với tần số cộng hưởng tại 5.5GHz

Tổng trở khi nhìn vào mạch từ feed port Theo công thức :

Khi mạch hoạt động tại tần số cộng hưởng ta có:

Phần ảo của trở kháng trở thành số không Đối với một mạch bao gồm L và C lý tưởng ở tần số cộng hưởng riêng Như hình 2, điện trở bức xạ RA sẽ ngắn mạch tại 3.5GHz hoặc 5.5Ghz, khi nhìn vào mạch tương đương từ feed port Trở kháng Anten không phối hợp trở kháng tại 3.5GHz và 5.5GHz

Hình 5.3 Mô phỏng đường cong trở kháng của Anten

Hình 5.3 mô phỏng đường cong trở kháng của Anten trên toàn băng Cho thấy sự không điều hợp trở kháng bao gồm 2 phần tại tần số 3.5GHz và 5.5GHz

5.1.3 Cải tiến cấu trúc Anten

Tiến trình cải tiến của Anten ban đầu được đưa ra trong hình 4.4(a), Anten I và Anten II được đưa ra, hình 4.4(b) các mẫu Anten được chế tạo Cơ bản bắt đầu thiết kế một Anten UWB ban đầu với trở kháng phù hợp tốt với các băng Thiết kế được bắt đầu từ Anten I và Anten II, Band-Notched băng tần 3.3-3.7 GHz hoặc 5.15-5.825 GHz tương ứng

Hình 5.4 Tiến trình cải tiến: (a) Các bước thiết kế Anten, (b) Các mẫu Anten được chế tạo

41 Mô phỏng và đo đạc VSWR của Anten ban đầu, Anten I, Anten II được trình bày ở hình 4.5(a) và (b) đo đạc

Hình 5.5 VSWR của Anten ban đầu, Anten I, Anten II (a) mô phỏng, (b) đo đạc

Phân bố dòng trên bề mặt Anten tại 2 tần số Notch được thể hiện trong hình

4.6(a) và (b) Quan sát thấy phân bố dòng tập trung tại đường cong dài ở tần số

3.5GHz và đường cong ngắn hơn ở tần số 5.5GHz

Hình 5.6 Phân bố dòng Anten tại (a) 3.5GHz và (b) 5.5GHz

Theo lý thuyết thiết kế và kích thước như trên, Anten được chế tạo và thử nghiệm Tỷ lệ sóng đứng điện áp thực tế (VSWR) của Anten được đo bằng Agilent N5230A vector network analyzer và cùng với VSWR mô phỏng được đưa ra trong hình 4.7 Thấy rằng Anten lọc bỏ 3.3-3.7 GHz cho WiMAX và 5.15-5.825GHz cho

Hình 5.7 Đo đạc và mô phỏng VSWR

42 Đồ thị bức xạ đo đạc và mô phỏng trong hình 4.8 (a) và (b) mặt phẳng x-z (E - plane) và mặt phẳng x-y (H - plane) cho tần số 4.5GHz, 6.5GHz và 10GHz

Hình 5.8 (a) mô phỏng, (b) đo đạc đồ thị bức xạ tại tần số 4.5GHz, 6.5GHz,

Khảo sát Anten có Patch elip

Bản thiết kế, phân tích UWB của tác giả H Chen, Y Ding and D.S.Cai trong bài báo “A CPW-FED UWB ANTENNA WITH WIMAX/WLAN BAND-NOTCHED

Anten UWB tránh được sự giao thoa gây nhiễu của các hệ thống khác như hệ thống WiMax hoạt động băng tần 3.25-3.75GHz và hệ thống WLAN hoạt động băng tần 5.15-5.825GHz Cách để thực hiện loại bỏ tần số Anten UWB là kết hợp một nửa bước sóng cộng hưởng vào trong cấu trúc Anten Theo nguyên tắc này, một phương pháp hiệu quả mà phần lớn là thông qua bởi các nhà thiết kế Anten được khắc khe nửa bước sóng trên tấm đơn cực và có một số phương pháp tương tự cũng có thể được áp dụng, chèn khe trong mặt Ground Plane hoặc vào đường dây feed line Một số thiết kế dựa trên các phương pháp được đưa ra trong các bài báo Anten UWB với khả năng loại bỏ băng tần Các phương pháp khác được sử dụng đặc tính Band-Notch, chẳng hạn như gắn các Patch ký sinh trên Anten

Phương pháp này được đề xuất để thiết kế Ăng-ten phẳng UWB có đặc tính lọc băng thông (Band-Notch) Ăng-ten được thiết kế bằng cách tạo các rãnh hình chữ U trên mặt đất, giúp chặn các tín hiệu tần số không mong muốn Thiết kế này cho phép Ăng-ten hoạt động trong dải tần rộng đồng thời loại bỏ nhiễu từ các hệ thống khác, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng truyền thông không dây và nhận thức môi trường xung quanh.

43 của Anten được trình bày là sự kết hợp của hai phương pháp hoàn toàn khác nhau, được arc slot trên tấm đơn cực và giới thiệu một cộng hưởng microstrip trên Anten

Anten có Patch là hình elip, trong đó bao gồm một đơn cực hình elip phẳng và cấp nguồn bằng cấu trúc CPW, một khe vòng cung trên tấm đơn cực và một microstrip cộng hưởng ở phía bên kia của Anten Anten ban đầu đã được gắn trên một chất nền FR4 với hằng số điện môi 4.4 và hệ số tổn hao 0.02, bề dày 1.6mm và kích cỡ 35 x 30 x 1.6 mm 3 Tiến hành dual Band-Notch Anten, khe vòng cung được khắc trên hình elip bức xạ phẳng để Band-Notch được tần số thấp (3,25-3.75GHz) cho Wimax và microstrip điện từ kết hợp cộng hưởng được bố trí ở phía đối diện để Band-Notch được tần số trên (5.15-5.825GHz) cho WLAN

Hình 5.9 Hình dạng Anten UWB mạch in với Dual Band- Notch (a) Mặt trên (b) Cạnh bên (c) Mặt dưới (d) Chế tạo Anten

Ăng-ten UWB loại bỏ tần số dựa trên cấu trúc khe vòng cung với bước sóng cộng hưởng nửa bước sóng Khi chiều dài cộng hưởng của khe được xác định bởi góc khe và bán kính R của khe bằng khoảng một nửa bước sóng ở một tần số cụ thể, sự loại bỏ nhiễu sẽ khiến Ăng ten không hoạt động ở tần số đó Bằng cách điều chỉnh các thông số của khe, tần số cạnh trên và dưới của dải tần loại bỏ trong hoạt động của băng thông Ăng-ten có thể được điều chỉnh.

44 Một cách khác của bài viết này để loại bỏ băng tần là giới thiệu một cộng hưởng vi dải trong đó có các chức năng của bộ lọc để Anten bằng cách tích hợp Anten và vi dải điện từ kết hợp cộng hưởng thành một mô-đun duy nhất Một cộng hưởng vi dải là căn cứ vào cấu trúc có ít nhất một trường điện từ dao động Trong nhiều loại hình cộng hưởng, cộng hưởng vi dải cho thiết kế bộ lọc thường có thể được phân loại thành dòng phân bố hoặc Patch cộng hưởng Như thể hiện trong hình 5.9, một cặp điện dẫn đối xứng được in ở phía dưới cùng của mẫu chất nền cộng hưởng vi dải, có thể được đặt tên như một nửa bước sóng cộng hưởng với chiều dài λg/ 2 (λg là bước sóng tại tần số cộng hưởng cơ bản) Có thể cộng hưởng ở tần số khác, f = nf0 cho n = 2,3 Băng tần loại bỏ có thể dễ dàng được xác định bằng cách điều chỉnh các tham số của bộ cộng hưởng

Bảng 5.2: Các thông số Anten

5.2.3 Kết quả và phân tích

Hình 5.10 trình bày hệ số phản xạ của Anten Có thể thấy rằng băng tần của

|S11| > -10dB khoảng 3.2-4.1 GHz và 5-6GHz, bao gồm hai băng tần loại bỏ Vì vậy, khi thiết kế, Anten có thể loại bỏ bất kỳ sự giao thoa với hệ thống Wimax hoạt động trong băng tần 3.25-3.75 GHz và hệ thống WLAN hoạt động trong băng tần 5.15-5.825 GHz

Hình 5.10: Đo đạc và mô phỏng |S11|

45 Như thể hiện trong hình 5.11(c), ở tần số loại bỏ 3.5 GHz, dòng được tập trung xung quanh các cạnh của khe vòng cung và hướng ngược chiều giữa bên trong và bên ngoài của khe Nguyên nhân này các Anten để hoạt động trong một chế độ truyền tải dòng, mà biến đổi trở kháng gần bằng không (ngắn mạch) ở trên cùng của khe đến gần trở kháng vô cùng (hở mạch) tại các điểm cấp nguồn Anten

Trở kháng vô cùng tại các điểm cấp nguồn đến trở kháng không kết hợp mong muốn với tần số loại bỏ

Hình 5.11(d) hiển thị khái niệm mô hình mạch của anten, có mạch nhánh và điện trở anten (RA) Đó là nhánh ngắn mạch Khi chiều dài của nhánh là λ/4 (λ là chiều dài bước sóng của 3.5GHz), ngã vào trở kháng tại điểm cấp nguồn là vô cùng (hở mạch) Trong trường hợp này, giao thoa triệt tiêu cho kích thích bề mặt dòng trên Anten xảy ra, đây là nguyên nhân mà Anten không đáp ứng tại tần số này

Hình 5.11 Phân bố dòng và khái niệm mô hình mạch cho Anten với khe vòng cung tại băng thông trong hình (a) và (b), tại tần số đầu tiên loại bỏ 3.5GHz trong hình (c) và (d)

Phân bố dòng trên bề mặt và khái niệm mô hình mạch Anten với dòng điện kết hợp cộng hưởng vi dải hiển thị trong hình 4 Dung kháng kết hợp với mạch hở cộng hưởng nửa bước sóng là mô hình bằng tụ điện nối tiếp với dường truyền điện dẫn (đường truyền hở mạch) Khi chiều dài cộng hưởng vi dải bằng λg/ 2 (λg là bước sóng tại tần số loại bỏ), không có dòng điện đến Anten khi dòng cảm ứng cộng hưởng như hình 4(c) Do đó, không bức xạ có thể thực hiện được tại tần số này

Hình 5.12 minh họa phân bố bề mặt dòng và mô hình mạch cho anten cộng hưởng vi dải toàn băng Hình (a) và (b) lần lượt cho thấy anten tại trạng thái bình thường và tần số loại bỏ là 5,5 GHz.

Hình 5.13: mô phỏng |S11| cho Anten elip Từ kết quả mô phỏng, chúng ta có thể quan sát được đặc tính khi loại bỏ hai băng tần tạo bởi khắc một khe hình vòng cung và cộng hưởng vi dải Trong hình này, khe vòng cung để loại bỏ băng tần đầu tiên là 3.25-3.75 GHZ và cộng hưởng vi dải loại bỏ băng tần thứ hai là 5.15- 5.825GHz

Hình 5.13 Mô phỏng |S11| của Anten (a) Khe vòng cung, (b) Cộng hưởng vi dải,

(c) Với khe vòng cung và cộng hưởng vi dải

Hình 5.14 Đồ thị bức xạ của Anten tại (a) 4GHz, (b)7GHz, (c)10GHz

Hình 5.14 cho thấy đồ thị bức xạ của Anten tại 4GHz, 7GHz và 10GHz trong

(E-Plane) và (H-Plane) Như trong hình, đồ thị bức xạ giống như monopole trong mặt phẳng E-Plane, trong khi đồ thị H-Plane có đặc tính bức xạ omnidirectional tốt

Khảo sát anten có Patch hình vòng cung

Bản thiết kế, phân tích UWB của tác giả Fei Yu trong bài báo “Design of a

CPW-fed Dual Band-Notched Planar Wideband Antenna for UWB Applications”

Trong công trình này giới thiệu một ăng-ten UWB CPW-fed planar có đặc tính Dual Band-Notched Đã có một số điều chỉnh được đề xuất về ăng-ten Chỉ đơn giản bằng cách ăn mòn một khe hình chữ U trong các phần tử bức xạ, có thể dễ dàng đạt được đặc tính band-notched 5-6GHz Bằng cách ăn mòn hai khe hình chữ U lồng nhau trong miếng bức xạ, có thể tạo ra đặc tính Dual Band-Notched cho ăng-ten UWB để giảm nhiễu giữa các hệ thống Các thông số chi tiết của ăng-ten được thiết kế và mô phỏng sẽ được trình bày trong phần tiếp theo để chứng minh hiệu quả của ăng-ten.

5.3.2.1 Anten có patch vòng cung Được biết rằng các Anten patch hình chữ nhật có một đặc tính băng hẹp Để cải thiện băng thông hoạt động tốt, chúng ta thiết kế patch hình vòng cung Trong ứng dụng thực tế, kích thước của mặt phẳng Ground là hữu hạn và bức xạ tối đa từ mặt phẳng nằm ngang theo hướng lên Các miếng Patch hình vòng cung và mặt Ground giảm dần làm phối hợp trở kháng tốt băng thông của các Anten Tiếp tục mở rộng băng thông trở kháng, một góc vuông hình tam giác góc trên của các miếng patch và loại bỏ một góc hình quạt nhỏ trên mỗi cạnh bên của mặt phẳng Ground gần feed line Quá trình cải thiện được thể hiện trong hình 5.15

Hình 5.15 Tiến hành cải tiến Anten

Mô phỏng so sánh hệ số phản xạ (S11) của các mẫu Anten được thể hiện trong hình 5.16 Hệ số phản xạ khác nhau phụ thuộc vào hình dạng thay đổi của miếng Patch bức xạ và mặt Ground

Hình 5.16 Hệ số phản xạ S11

Hình dạng của Anten được lựa chọn tốt nhất được mô tả theo hình 4.17 (gọi là Anten A) Anten được thiết kế trên mạch in với chất nền Fr4, kích cỡ 28mm x 30mm, độ dày 1.6mm, hằng số điện môi 4.4 và hệ số suy hao δ = 0.02 Chúng ta tối ưu hóa các thông số hình học Anten cho S11

Tiêu đề	Khảo sát các phương án cấu trúc anten planar cho hệ thống UWB
Tác giả	Nguyễn Thành Tín
Người hướng dẫn	Phan Hồng Phương
Trường học	Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện Tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	4,76 MB