Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế anten Planar cho hệ thống UWB

Thế hệ mới của các hệ thống phát thanh không dây, điện thoại di động nhằm mục đích cung cấp dữ liệu linh hoạt bao gồm cả tốc độ dữ liệu cao, trung bình và thấp và rất nhiều các ứng dụng

GIỚI THIỆU KỸ THUẬT ULTRA-WIDE BAND

Tổng quan

Hệ thống truyền thông không dây đã phát triển đáng kể trong những năm vừa qua Sự bùng nổ tăng trưởng của thị trường truyền thông không dây được dự kiến sẽ tiếp tục trong tương lai, khi nhu cầu về tất cả các loại hình dịch vụ không dây ngày càng tăng Thế hệ mới của các hệ thống phát thanh không dây, điện thoại di động nhằm mục đích cung cấp dữ liệu linh hoạt (bao gồm cả tốc độ dữ liệu cao, trung bình và thấp) và rất nhiều các ứng dụng (như video, dữ liệu,…) cho người sử dụng các thiết bị truyền thông không dây Tuy nhiên, mục tiêu này phải được thực hiện trong hạn chế của các tài nguyên giới hạn sẵn có như phổ tần và công suất Khi ngày càng nhiều thiết bị không dây, công nghệ trong tương lai sẽ phải đối mặt với phổ lấn át, và cùng song song tồn tại với các thiết bị không dây hiện có sẽ là một vấn đề lớn Vì vậy, việc xem xét băng thông hạn chế làm sao co thể đáp ứng được nhu cầu dung lượng và tốc độ dữ liệu cao hơn là một nhiệm vụ đầy thách thức, đòi hỏi công nghệ tiên tiến có thể cùng tồn tại với các thiết bị hoạt động ở băng tần số khác nhau

Hơn nữa, các thiết bị di động hiện đang ngày càng trở nên nhỏ gọn hơn Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, … sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế nói trên Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten

Từ đó, anten siêu băng rộng - (UWB) radio cũng ngày càng trở nên phổ biến và chiếm ưu thế trong việc tạo ra tốc độ xung cao với mức chi phí thấp Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển UWB được tập trung chuyên sâu hơn sau ban hành phiên bản chuẩn UWB đầu tiên bởi Ủy ban Truyền thông liên bang Mỹ (US Federal

Communication Commission – US FCC) vào tháng 2 năm 2002 không cần cấp phép trong dải tần từ 3.1- 10.6 GHz (7.5GHz) Phiên bản chính thức này đã mở ra hướng đi nhằm phát triển các sản phẩm UWB thương mại Các giới hạn nghiêm ngặt về công suất phát UWB được quy định bởi FCC đã xác định các ứng dụng trong tương lai phù hợp với truyền tín hiệu bằng UWB đó là truyền tín hiệu với tốc độ bit cao ở tầm ngắn (IEEE 802.15.3a), hoặc truyền tín hiệu với tốc độ bit thấp ở tầm trung và tầm xa (IEEE 802.15.4a)

UWB là một hệ thống dưới chuẩn (hay còn được gọi là hệ thống chia sẻ không có giấy phép), cùng tồn tại với các hệ thống băng hẹp khác được cấp phép và không có giấy phép Công suất phát của các thiết bị UWB được kiểm soát bởi các cơ quan quản lý (chẳng hạn như Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) ở Hoa Kỳ) nên hệ thống băng hẹp bị ảnh hưởng từ các tín hiệu UWB chỉ ở mức độ không đáng kể Do đó, các hệ thống UWB được phép cùng tồn tại với các công nghệ khác chỉ dưới sự kiểm soát công suất nghiêm ngặt Mặc dù vậy, UWB cung cấp giải pháp hấp dẫn cho các khu vực nhiều thông tin liên lạc không dây, bao gồm cả các mạng không dây cá nhân (WPANs), đo từ xa không dây, trị bệnh từ xa và cảm biến mạng không dây Với băng thông rộng của nó, UWB có tiềm năng để cung cấp công suất cao hơn nhiều so với các hệ thống băng hẹp hiện nay cho các ứng dụng tầm ngắn

Theo định nghĩa hiện nay, các công nghệ truyền thông không dây tạo tín hiệu có băng thông rộng hơn 500 Mhz hoặc một băng thông phân đoạn lớn hơn 0.2 được xem là UWB (Trong đó, băng thông phân đoạn = 2 x (fH-fL)/(fH+fL), với fH, fL là các tần số biên trên và biên dưới).

Những lợi ích của UWB

Truyền UWB gần đây đã nhận được sự chú ý đáng kể trong cả học thuật và các ngành công nghiệp cho các ứng dụng truyền thông không dây Những lợi thế của các hệ thống UWB là rất nhiều

Trước hết, UWB cho phép sử dụng không cần cấp phép của một băng thông phổ và mở ra hướng mới cho các ứng dụng không dây, cũng như sự điều chỉnh thay thế dần cho các thiết bị hiện có

UWB cũng cung cấp việc sử dụng phổ tần với độ linh động cao Trong thực tế, hệ thống này được đặc trưng bởi một loạt các thông số cho phép thiết kế của máy thu phát thích nghi và có thể được sử dụng để tối ưu hóa năng lực hệ thống, đáp ứng các yêu cầu về tốc độ dữ liệu, khoảng cách, công suất, chất lượng dịch vụ và yêu cầu của người dùng Công nghệ UWB có khả năng cung cấp dữ liệu cao (hàng Gbps) trên phạm vi ngắn (ngắn hơn 1 m) Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu có thể dễ dàng đánh đổi với sự gia tăng cự ly bằng cách thiết kế thu phát phù hợp thích nghi

Tương tự như vậy, tốc độ dữ liệu và cự ly có thể đánh đổi đối với công suất, đặc biệt là tốc độ dữ liệu thấp và các ứng dụng tầm ngắn Điều quan trọng nhất là cùng một thiết bị có thể được thiết kế để cung cấp dịch vụ cho nhiều ứng dụng cùng với một loạt các yêu cầu mà không cần bổ sung phần cứng Độ phân giải cao về thời gian của tín hiệu UWB làm cho chống lại fading đa đường Do tín hiệu UWB trải trên một dải tần số rất rộng (đến tần số rất thấp), suy hao xuyên vật liệu khá thấp, làm hiệu quả liên kết tốt hơn Hơn nửa, nhiều thành phần đa đường có thể được quan sát ở bộ thu, vì thế hệ thống có khả năng nhận năng lượng tốt Ví dụ, các bộ thu dò tìm có thể thực hiện khóa các dội đa đường, chọn lọc năng lượng Vì thế cải thiện năng lực của hệ thống

Ngoài ra, độ phân giải cao về thời gian là một lợi thế quan trọng của tín hiệu UWB cho các ứng dụng khác nhau Trong các hệ thống IR-UWB không cần thiết có bộ chuyển đổi lên/xuống tại các máy thu phát, tạo lợi ích tiềm năng của việc giảm chi phí và kích thước của các thiết bị

Lợi ích khác của UWB bao gồm công suất phát thấp và chống lại việc nghe trộm tốt do tín hiệu UWB có công suất phát thấp nên giống tương tự nhiễu.

Ứng dụng

UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấp dẫn, như thể hiện trong hình 1.1

Về cơ bản, các ứng dụng này có thể được chia thành 3 nhóm:

 Truyền thông và cảm biến

 Định vị và theo dõi

Hình 1.1: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp

1.3.1 Truyền thông và cảm biến

Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trường khách hàng Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể được cải thiện, tăng cường,nâng cấp Các ứng dụng trong truyền thông có thể được chia ra làm hai khu vực - tốc độ dữ liệu thấp và cao Cả hai đều yêu cầu công suất thấp và dung lượng cao, chúng là các biểu tượng cho chất lượng của UWB

1.3.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp

Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ nhưng chúng thường được nối bởi dây dẫn hoặc cáp Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữ liệu vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những kẻ đột nhập vào nhà, và để cho vô vàn mục đích khác Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể là không dây, nhưng giải pháp trên thị trường ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, các vấn đề công suất, ngoài ra các vấn đề khác thì không quan trọng lắm trong việc đạt được một thoả hiệp hoàn hảo UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng đột ngột như là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh và có thể uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tượng mà không gặp trở ngại gì về kết nối Nó cũng bị ảnh hưởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhưng ít hơn trường hợp ánh sáng hồng ngoại Vì UWB hoạt động ở mức công suất rất thấp và theo phương thức không liên tục, nhiễu cũng không đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể hoạt động trong cùng một không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác Trước hết chúng ta xét chi tiết hơn ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB, WPAN, một lĩnh vực đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trường thiết bị

Sự nổi lên của môi trường nhà số được cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (như bộ nghe nhạc, xem video số), các thiết bị di động (như điện thoại tổ ong và PDA), và các thiết bị máy tính cá nhân (như máy tính PC xách tay) sẽ hỗ trợ một lượng lớn các ứng dụng Các thiết bị này có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Hình 1.2):

 Các thiết bị điện tử cho người tiêu dùng (CE) và hệ thống quảng bá

 Các thiết bị cầm tay và di động

Các thiết bị này thông thường được đặt trong các phòng khác nhau và được dùng cho nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy vọng chúng có thể tương tác được với nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC, bộ ghi hình số thông tin với STB,… Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao

Hiện tại, các loại thiết bị này sử dụng các giao diện và và khuôn dạng nội dung khác nhau

Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnh của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị để có thể tạo ra WPAN như ngày hôm nay Nhưng có nhiều thiết bị không thể đáp ứng được giá thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi Networking

Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhưng nó vẫn không thể phân phối hết được hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng video chất lượng cao đồng thời Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng như đã được yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu thụ thấp

Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt kê một số ứng dụng chính ở dưới đây:

 Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phương tiện, như máy ảnh số, máy chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến

 Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy

 Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, như điện thoại tổ ong 3G, cũng như là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết bị di động PC/CE dựa trên IP kế tiếp

 Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị di động

Hình 1.2: Sự hội tụ của các loại thiết bị

 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đưa hiệu năng và độ tiện lợi như đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo

Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể như là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (Hình 1.3) Nhưng cáp cũng chỉ có thể được sử dụng theo phương thức này Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tương tác Một giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tượng sử dụng có quyền hy vọng về USB không cần dùng cáp Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã có được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC

WUSB Working Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc độ lên đến 480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10 m

Với WUSB, một người sử dụng có thể mang một thiết bị di động, như là PMP (Portable Media Player), tới gần nguồn nội dung, như một PC, máy tính xách tay, hoặc một đĩa cứng bên ngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền hoàn thành, video có thể được chuyển vào PMP để xem sau

Hình 1.3: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB

 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE

Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE) Lợi ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối hữu trong khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao Một lớp rộng lớn thiết bị thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1.4) bao gồm: Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ ghi video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số, và các thiết bị CE khác dễ thấy ở khắp gia đình UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp UWB cũng có thể tạo ra đa luồng tới đa thiết bị đồng thời Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví như khả năng xem nội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả nhà

UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, như máy quay xách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một LCD cỡ lớn để xem Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1.1) Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin xuất hiện khi người dùng bấm nút Play

Bảng 1.1: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trường PC và giải trí Đặc điểm Lợi ích

Thông lượng tốc độ cao Nhanh, truyền với chất lượng cao Tiêu thụ công suất thấp Tuổi thọ bin của các thiết bị cầm tay dài

Thiết bị vô tuyến được chuẩn hoá, dựa trên Silicon

Tuỳ chọn kết nối hữu tuyến Tiện lợi và linh động

Các thiết bị CE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB thời kỳ đầu

 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động Đối với những người sử dụng nhiều loại thiết bị di động, quản lý cáp có thể là một sự bất tiện lớn nhất là khi các thiết bị này cần phải kết nối với nhau

Nhiều thiết bị, như là thiết bị trợ giúp cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB, nhưng các thiết bị khác, như điện thoại tổ ong 3G, có thể yêu cầu một bộ đấu nối đặc biệt hoặc một bộ thích ứng cho cáp USB Công nghệ UWB cho phép các thiết bị này vận hành cùng nhau-không cần cáp-ngay khi chúng đặt gần nhau

UWB cũng có thể được sử dụng để tạo ra truy nhập mạng công suất thấp, tốc độ cao trong các khu vực hotspot

Những khó khăn

Mặc dù tất cả những ưu điểm của UWB, có một số vấn đề cơ bản và thiết thực cần được giải quyết một cách thận trọng để đảm bảo sự thành công của công nghệ này trong thị trường truyền thông không dây Thiết kế mã đa truy cập, loại bỏ nhiễu đa truy nhập (MAI), phát hiện và loại bỏ nhiễu băng hẹp (NBI), đồng bộ hóa của thiết bị nhận xung hẹp, chính xác mô hình của các kênh UWB, tính toán hệ số trễ đa kênh truyền và thiết kế bộ thu phát thích nghi… là một số trong những vấn đề mà vẫn còn đòi hỏi rất cần sự chú ý xem xét Ngoài các vấn đề về lớp vật lý ở trên, vai trò cơ bản của công nghệ UWB trong các mạng không dây vẫn còn mở, và một loạt các câu hỏi thách thức hiện nay cần tiếp tục nghiên cứu, chẳng hạn như vai trò cụ thể của UWB trong các mạng không dây ad-hoc và cảm biến…

Trong số những thách thức của UWB, một loạt các hạn chế có thể được đưa ra như sau:

 UWB cùng tồn tại với các dịch vụ khác và cần phải xử lý nhiễu băng hẹp mạnh mẽ;

 Định hình dạng phổ (thích nghi) tín hiệu truyền nhận (đa băng, hay UWB dựa trên OFDM,…);

 Phải thiết kế thu phát công suất thấp;

 Đồng bộ hóa và tính toán ước lượng chính xác các thông số kênh;

 Tỷ lệ lấy mẫu cao cũng gây khó cho việc triển khai kỹ thuật số;

 Cần khả năng xử lý mạnh mẽ cho hiệu suất cao và gắn liền với cấu trúc thu kỹ thuật số;

 Thiết kế thành phần RF băng rộng (như ăng ten, các bộ khuếch đại nhiễu thấp, …);

 Đa truy cập, thiết kế mã đa truy nhập, và nhiễu đa người dùng;

 Chính xác hóa mô hình kênh siêu băng rộng trong các môi trường khác nhau…

Yêu cầu đặt ra

Các ưu thế và khả năng phát triển của UWB là rõ ràng Do đó, việc tiếp tục và tìm hiểu, nghiên cứu và phát triển rộng rãi các ứng dụng công nghệ UWB là cần thiết Trong các ứng dụng UWB thì vai trò của mạch thu phát UWB đóng vai trò quyết định đến chất lượng hoạt động của ứng dụng Việc thiết kế các phần tử anten điều khiển được trong mạch thu phát nhằm thỏa mãn các yêu cầu về tần số hoạt động, công suất và hướng bức xạ đang được tập trung nghiên cứu nhằm chế tạo các anten có chi phí thấp, hình dáng gọn, có tính năng linh động và dễ điều khiển Đặc biệt là việc khảo sát quy trình chế tạo anten nhằm đánh giá các ảnh hưởng của các tác động do điều kiện chế tạo dẫn đến sự không chính xác trong kết quả hoạt động thực tế của mạch anten so với lý thuyết để đưa ra các giải pháp khắc phục và tối ưu sản phẩm

Trong những năm gần đây, việc sử dụng các bộ cộng hưởng nhúng trong các anten băng rộng đã được mở rộng Việc chèn các khe băng hẹp đã tạo ra các đặc tính lọc tần số (frquency-notched) trong đáp ứng anten Đặc tính này đặc biệt được chú ý trong các anten đơn cực phẳng dùng trong các hệ thống UWB băng cực rộng

Các anten này phù hợp hoạt động trong các hệ thống UWB, do chúng bao phủ tầm tần số yêu cầu (từ 3.1 đến 10.6 GHz) với chi phí thấp và cấu trúc tích hợp Hơn nữa, dạng anten này tuân thủ thỏa mãn với yêu cầu miền thời gian của các hệ thống UWB Tuy nhiên, một vài băng tần ở các công nghệ băng hẹp đã được cấp phát trong tầm tần số UWB, như LAN không dây ở tần số 5.2 GHz (5150 MHz-5350 MHz) và 5.8 GHz (5725 MHz - 5825 MHz), có khả năng giao thoa với hệ thống UWB Do đó, triển vọng trong việc tạo ra đặc tính frequency-notched trong anten để làm giảm giao thoa không mong muốn từ các hệ thống LAN không dây đang được chú ý Chế tạo các anten UWB có tính năng này bằng cách chèn khe cộng hưởng băng hẹp trong cấu trúc hình học phẳng của anten và bằng cách điều chỉnh phù hợp độ dài, hình dạng của khe công hưởng để tạo cộng hưởng ở tần số mong muốn.

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI

Lý thuyết chung về anten

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình 2.1 Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [2]

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 2.2 làm việc ở chế độ phát thể hiện trong hình 2.1 Trong đó, nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng Zc , và anten được thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể hiện sự suy hao do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), hai thành phần suy hao này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng X A thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu trường xa, còn có trường điện từ dao động ở gần anten, gàng buộc với anten Phần công suất này không bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn Công suất này gọi là công suất vô công, và được biểu thị thông qua điện kháng X A Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ Rr Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các suy hao do điện môi và suy hao do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo sự suy hao do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 2.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [2]

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten

Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa nhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn Khi đó trên đường truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứng điển hình được thể hiện là đường gạch đứt trong hình 2.2

Nếu hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn Tổng suy hao phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Suy hao do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền tổn hao thấp, trong khi suy hao do anten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng bức xạ RL trong hình 2.2 Sóng đứng có thể được giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính là anten

Một phương trình tương tự như hình 2.2 được sử dụng để thể hiện hệ thống anten trong chế độ thu Trong đó, nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả các phần khác của phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ Rr được sử dụng để thể hiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten

Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thống không dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo một vài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten cũng cần phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa, anten cũng phải có các hình dạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể

Công nghệ anten đã là một phần không thể thiếu trong các giải pháp truyền thông Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thời gian cách đây hơn 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay Tuy nhiên, ngày nay các kết quả mới và những thay đổi đã được đưa ra, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày càng lớn hơn

2.1.2 Các tham số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, độ lợi, …

2.1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra

Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này gàng buộc với anten; còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì

Trường khu xa gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (Hình 2.3)

Hình 2.3: Các trường bức xạ tại khu xa [6]

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường khu trên một diện tích ngày càng lớn hơn Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi, khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng

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 hai chiều (2D) hay ba chiều (3D) Sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 2.4

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của, và 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

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [2]

 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

2.5 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với   

 f và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với  g    ,   const 

Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [2]

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 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 2.6 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 2.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [2]

 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 2.7a) minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy Hình 2.7.a) thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 2.7.b) a) b) a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten b) Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó

Đường truyền vi dải và anten vi dải

2.2.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải Đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in “cấp cao”, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất

Ta thấy mặt phẳng đất là mặt phản xạ Do đó, đường truyền vi dải có thể được xem như là đường truyền gồm 2 dây dẫn

Hình 2.11: Cấu trúc của đường truyền vi dải

Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền εr Độ dày của dải dẫn điện là t và điện dẫn suất là σ là các tham số kém quan trọng hơn và đôi khi có thể bỏ qua

2.2.1.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải

Sóng truyền trên đường truyền vi dải là sóng có dạng gần với TEM (quasi- TEM) Điều này có nghĩa rằng có một vài vùng trong đó chỉ có một thành phần điện trường hoặc từ rường theo hướng truyền sóng Hình 2.12 thể hiện giản đồ trường điện từ của một đường truyền vi dải cơ bản

Hình 2.12: Giản đồ trường của một đường vi dải

Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện, bởi vì mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí Các đường sức điện trường không liên tục tại mặt tiếp giáp này Điều kiện biên cho điện qua biên; do đó một chất nền có hằng số điện môi là 10, thì điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần so với trong không khí Mặt khác, thành phần tiếp tuyến (song song với bề mặt dải dẫn điện) của điện trường cũng phải liên tục khi xuyên qua biên Do đó, một phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữ trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng đối với các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị hằng số điện môi không khí và hằng số điện môi của chất nền

Deschamps là người đầu tiên đưa ra khái niệm anten vi dải vào năm 1953, Gutton và Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên, mãi tới tận năm 1972 người ta mới đi vào chế tạo các anten vi dải, bởi vì thời điểm này mới xuất hiện chất nền có các đặc tính tốt, đảm bảo các yêu cầu đặt ra

Trong hình 2.13, anten vi dải với cấu hình đơn giản nhất bao gồm một patch phát xạ nằm trên một mặt của chất nền điện môi (e r  10), mặt kia của chất nền là mặt phẳng đất Patch là vật dẫn điện, thông thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ, nhưng các hình dạng thông thường nói chung được sử dụng nhiều

Hằng số điện môi của chất nền đóng vai trò quan trọng nhất đối với hoạt động của anten Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, băng thông và hiệu suất của anten

Hình 2.13: Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất 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

 Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%)

 Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian

 Giới hạn độ độ lợi cực đại (~ 20 dB)

 Hiệu suất bức xạ kém

 Xuất hiện các sóng mặt

 Công suất cho phép thấp

2.2.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản

 Anten patch vi dải (Microtrip Patch Antenna)

Anten có patch vi dải (microstrip patch antenna, MPA) bao gồm một patch dẫn điện có hình dạng phẳng hay không phẳng trên một mặt của một chất nền điện môi, và mặt phẳng đất trên mặt còn lại của chất nền Các cấu hình cơ bản mà được sử dụng trong thực tế được chỉ ra trong hình 2.14 a a) b) Hình 2.14: Các dạng patch anten vi dải a) Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được sử dụng trong thực tế b) Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải

 Anten dipole vi dải (Microstrip or Printed Dipole Antenna)

Hình 2.15: Một vài dipole mạch in và vi dải

 Anten khe mạch in ( Microstrip or Printed Dipole Antenna)

Các anten khe mạch in (printed slot antenna) có một khe được cắt trên mặt kim loại Khe này có thể có bất kỳ hình dạng nào Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của patch vi dải mà được chỉ ra trong hình 2.14 có thể được thực hiện lại trong dạng của một khe mạch in

Hình 2.16: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện

 Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna, MTA)

Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên anten (hình 2.16) Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện

Hình 2.17: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in

1.2.2.3 Anten patch hình chữ nhật Đây là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện phẳng bên trên một mặt phẳng đất Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục, bằng ống dẫn sóng hoặc đường truyền vi dải Phần tiếp điện đưa năng lượng điện từ vào và/hoặc ra khỏi patch Hình dưới đây thể hiện phân bố điện trường của anten patch hình chữ nhật được kích thích ở mode cơ bản

Trên hình 2.18a, điện trường bằng 0 ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten Điện trường mở rộng ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi – không khí Thành phần điện trưởng mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò (leaky-cavity) Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hốc cộng hưởng là mode TM10

Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn TM tượng trưng cho phân bố từ trường ngang Điều này có nghĩa rằng chỉ có ba thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và y trong hệ tọa độ Đề các Trong đó, trục x và y song song với mặt phẳng đất, và trục z vuông góc với mặt phẳng đất

Nói chung, các mode được kí hiệu là TMnmz Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo trục z coi như không đáng kể Do đó, kí hiệu TMnm chỉ ra sự biến đổi của trường theo hướng x và y Sự biến đổi của trường theo hướng y hầu như không đáng kể, do đó m bằng 0 Trường biến đổi chủ yếu theo hướng x, do đó ở mode cơ bản thì n = 1

Hình 2.18a và hình 2.18b thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải; trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải Từ biên độ của dòng và áp, ta có thể tìm được trở kháng (trong hình 2.18c) Trở kháng đạt cực tiểu ở giữa patch và cực đại ở gần 2 cạnh Có một điểm nằm ở đâu đó dọc theo trục x, tại đó trở kháng là 50 Ω, ta có thể đặt điểm tiếp điện tại đó a) b) c) Hình 2.18: Anten patch hình chữ nhật a) Phân bố trường ở mode cơ bản b) Phân bố dòng trên bề mặt patch c) Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (|Z|) theo chiều dài patch

CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI

Giới thiệu

Trong những năm gần đây, anten vi dải đã được tập trung nghiên cứu khá nhiều, cả về lý thuyết và kỹ thuật Đồng thời cũng đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về mặt công nghệ và ứng dụng trong thực tiễn nhất là lĩnh vực thông tin di động, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần Nó đã tỏ ra là loại anten có nhiều hiệu quả và tiện lợi

Các khái niệm về bức xạ vi dải đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 Nhưng mãi đến 20 năm sau một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là cấu trúc ổn định, trọng lượng bé, kích thước nhỏ, dễ chế tạo và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Không những thế, anten vi dải rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (antenna array), cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong hệ thống CDMA Với nhiều đặc tính thuận lợi như trên nên MSA được thiết kế đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực truyền thông vô tuyến khác nhau

Về cấu tạo, mỗi phần tử anten vi dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bồ phận tiếp điện như hình 3.1 Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten vi dải còn có tên gọi là anten mạch in

Hình 3.1: Phần tử anten vi dải

Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày t và hằng số điện môi ε r của lớp đế điện môi Phần tử anten vi dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại (hình 3.3 a), hoặc dùng cáp đồng trục, có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn (hình 3.3 c) Tùy thuộc vào hình dạng phiến kim loại và các thông số hình học, ta có các loại anten khác nhau

Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng nhất với hoạt động của anten Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, dải tần và hiệu suất của anten.

Các đặc tính của Anten vi dải

Anten vi dải (Microstrip Antenna – MSA) được ứng dụng trong cao tần từ tần số 100MHz đến 100GHz MSA có nhiều đặc điểm thuận lợi so với các anten truyền thống khác và được dùng trong nhiều ứng dụng Tuy nhiên, MSA cũng có một số khuyết điểm cần được cải thiện Ưu điểm:

 MSA có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất

 Có thể phân cực tuyến tính hoặc phân cực tròn

 Công nghệ chế tạo phù hợp với các mạch cao tần

 Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten

 Dễ dàng tích hợp với các thiết bị di động cá nhân

 MSA có băng thông hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5% (đây là hạn chế lớn nhất của

 MSA trong ứng dụng đòi hỏi trải phổ rộng, và một số MSA có độ lợi thấp)

 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten

 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối

 Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp

Một số ứng dụng của MSA:

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

 Các radar đo phản xạ thường dùng các dải MSA phát xạ

 Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các các dải MSA để định vị

 Các loại vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng

 GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.

Các phương pháp phân tích anten vi dải

Một trong những phương pháp phân tích anten vi dải là phương pháp moment, khi các anten vi dải có hình dạng tùy ý Đây là phương pháp rất hữu hiệu để tính toán các anten vi dải, không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực triển của công nghệ truyền thông Trong phần này, sẽ giới thiệu về phương pháp phân tích anten vi dải dựa trên sự quan sát và suy luận vật lý để có thể tìm hiểu nguyên lý của anten vi dải một cách rõ ràng hơn theo các khía cạnh kỹ thuật

Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương pháp đường truyền và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản (ví dụ hình chữ nhật, hình tròn), còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp Trong mục này sẽ chỉ đề cập đến phương pháp đường truyền dẫn

Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi phần tử anten vi dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm vi dải), và đặt song song cách nhau một khoảng L (bằng chiều dài của tấm vi dải) như vẽ ở hình 3.3 b Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ

Khi chọn L =  d / 2, với  d là bước sóng trong lớp đế điện môi thì hai khe này được kích thích ngược pha nhau, nhưng vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian như mô tả ở hình 3.3 b Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải nửa sóng

Hình 3.2: Mô hình anten vi dải

Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs)

Trong phần này sẽ đề cập đến anten vi dải hình chữ nhật, với 2 loại nửa sóng và phần tư sóng

3.4.1 Anten vi dải nửa sóng

Loại anten vi dải được sử dụng phổ biến nhất là loại gồm một phiến kim loại hình chữ nhật gắn trên bản mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục Chiều dài L xấp xỉ bằng nửa bước sóng

Trong đó:  0 : bước sóng trong không gian tự do  d : bước sóng truyền trong lớp điện môi

Như trên đã phân tích, trường bức xạ của anten có thể được xác định dựa trên nguồn bức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra bởi cạnh của phần tử vi dải và mặt phẳng đế trực tiếp ở phía dưới Do t 60 0

Hình dạng Nhỏ, gọn, đồng phẳng

Hệ số định hướng & Hệ số tăng ích (Độ lợi)

Thấp Để tạo anten vi dải băng rộng cần dựa vào những anten băng rộng cơ bản, sau đó tìm cách thay đổi hình dạng và kích thước dựa trên các nguyên lý tạo anten dải rộng Anten vi dải có thể cộng hưởng ở nhiều tần số khác nhau, tùy thuộc vào hình dạng miếng bức xạ, vì thế có thể có được một anten băng rộng bằng cách thay đổi sao cho các tần số cộng hưởng gần với nhau.

Thiết kế anten planar cho hệ thống UWB

Các bước thiết kế anten được sử dụng ở đây bao gồm:

 Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp

Mô hình anten vi dải được đưa ra có thể được tích hợp cho các thiết bị di động sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng Mô hình anten vi dải thiết kế là một anten planar đồng phẳng bức xạ đẳng hướng với kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản và được sản xuất bằng công nghệ mạch in nên giá thành rẻ Với cấu trúc phẳng, anten có thể được dùng trong các thiết bị của hệ thống máy tính cá nhân hoặc các thiết bị cầm tay trong nhà…

 Chọn phương pháp tiếp điện thích hợp

Trong quá trình thiết kế anten, lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng Đối với anten vi dải, có 3 cách tiếp điện thông dụng là: tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng Lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp để có thể dễ dàng phối hợp trở kháng giữa feeder và anten Ngoài ra, cách tiếp điện cho anten cũng góp phần đáng kể quyết định đến kích thước và thuộc tính của anten Trong mô hình anten được thiết kế, cấu trúc tiếp điện đường truyền vi dải được sử dụng Đường truyền vi dải mỏng, góp phần đáng kể thu nhỏ kích thước anten

 Tính toán thiết kế và sử dụng phần mềm mô phỏng

Từ các nguyên lý cơ bản và các kỹ thuật tạo băng thông siêu rộng cho anten vi dải, giải pháp đưa ra là kết hợp sử dụng phương pháp phân tích, tính toán thiết kế anten và sử dụng phần mềm CST 2009 để mô phỏng kết quả

Anten được thiết kế dạng đơn cực phẳng, có đặc điểm của một anten khe mạch in Anten này bao gồm một khoảng trống tạo ra từ mặt ground của một PCB và một CPW để kích thích

Việc cấp nguồn và kích thích bức xạ nằm trên cùng một mặt, mặt được sử dụng chỉ có một lớp chất nền phủ bằng kim loại Để đáp ứng được yêu cầu đặt ra của đề tài, anten được thiết kế gồm 2 phần

 Phần một: Thiết kế anten cơ bản đáp ứng được dải tần của UWB từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz

 Phần hai: Anten cơ bản được thiết kế thêm band-notch trên phần bức xạ để loại được dải tần số 5.15 GHz - 5.825 GHz

4.2.1 Thiết kế anten cơ bản

4.2.1.1 Hình dạng anten cơ bản

Hình dạng của anten cơ được thiết kế như hình 4.1

Hình 4.1: Hình dạng anten cơ bản được thiết kế

(WW0mm, LL1mm, R.5mm, W=9mm, L.9mm, T=5.3mm, S=3.8mm, G=0.5mm, h_substrate=1.6mm)

Anten cơ bản được thiết kế gồm một mặt ground hình chữ nhật có kích thước 30mm x 30mm và được in trên chất nền FR4 dày 1.6mm Hằng số điện môi tương đối  r 4.6

Trên chất chất nền được được tạo một khoảng trống là một đường tròn bán kính R.5mm, tâm O tại điểm lệch về phía xa đường cấp nguồn 1mm so với tâm đối xứng của anten

Phần bức xạ được được thiết kế là một patch hình chữ nhật có kích thước 10.9mm x 9mm, được phối hợp trở kháng ngõ vào với đường cấp nguồn tạo thành chữ T

Hình 4.2: Chiều dầy lớp substrate

4.2.1.2 Thiết kế các thành phần anten cơ bản trên cơ sở lý thuyết

 Thiết kế thành phần bức xạ:

 Bước 1: Để đạt được bức xạ hiệu quả, chiều rộng của patch bức xạ được tính theo công thức:

 Để đáp ứng được dải tần f0 = 3.1GHz -10.6 GHz thì W phải nằm trong giới hạn từ 28,9mm đến 8.5mm Trong mô hình đã chọn 9 mm để thiết kế

 Bước 2: Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải được xác định theo công thức:

Với  r  4 6, W = 9mm , h = 1.6mm thế vào công thức trên ta có:  e  5 986

 Bước 3: Tính độ tăng chiều dài do hiệu ứng phụ theo công thức:

Thay số vào ta được   0 4144 h L Suy ra: L0.663mm

 Bước 4: Chiều dài của patch: L

Thay các giá trị vào ta được L = 4.5mm đến 18mm Chọn 10.9mm

 Thiết kế thành phần cấp nguồn CPW (CoPlanar Waveguide) Đường truyền coplanar được sủ dụng trong các vi mạch siêu cao tần, do cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo của nó Cấu tạo cơ bản gồm một dải kim loại làm đường truyền chính của tín hiệu và nằm xen kẽ giữ hai mặt dẫn làm mặt phẳng đất Tất cả kim loại trên đều nằm ở một phía của tấm điện môi  r Điều này cho phép một công nghệ đơn giản để chế tạo đường truyền sóng siêu cao tần, nhờ phương pháp chỉ sử dụng một bề mặt kim loại, việc kết nối cũng đơn giản hơn, không thông qua các trạm nối xuyên tần điện môi nhiều lớp

Hằng số điện môi tương đối hiệu dụng được tính bởi:

  Trở kháng đặc tính cũng được xác định bởi biểu thức:

Thay các thông số S3.6mm,G0.5mm, h1.6mmta được trở kháng

4.2.1.3 Mô phỏng kết anten cơ bản thiết kế và hiệu chỉnh

Do UWB có dải tần hoạt động từ 3,1GHz - 10,6 GHz nên khi thiết kế anten sẽ chọn tần số cộng hưởng trung tâm vào khoảng 7.25 GHz để thiết lập phần mềm

Khi đó, kích thước của miếng bức xạ sẽ phụ thuộc vào tần số trung tâm, độ rộng của băng tần và hằng số điện môi hiệu dụng của lớp đế Kích thước cơ bản của anten được thiết kế như phần trên

Kích thước của đường dẫn điện ở giữa, kích thước của khe hẹp và hằng số điện môi tương đối của lớp đế sẽ quyết định trở kháng đặc tính của ống dẫn sóng đồng phẳng Với kích thước ghi trên hình 1, khi chọn lớp đế làm bằng FR4 có εr 4.6, độ suy hao   0 02, thì trở kháng đặc tính thu được là 50 Ohm

Từ các yêu cầu của anten cho công nghệ băng thông siêu rộng có thể chọn các thông số tỷ số điện áp sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), đồ thị bức xạ và hệ số tăng ích để đánh giá anten Đối với các anten thiết kế, yêu cầu phải đạt VSWR < 2 trong dải tần số hoạt động (Điều này tương đương với việc trong nhiều thiết kế anten sử dụng tiêu chí đánh giá hệ số tổn hao ngược RL-Return Loss nhỏ hơn -10dB trong dải tần số hoạt động)

Từ đồ thị mô phỏng hệ số sóng đứng (VSWR) (Hình 4.3) có thể thấy giá trị VSWR< 2 đạt được trong khoảng tần số từ 2.9GHz – 10.9GHz, do đó anten này đảm bảo hoạt động tốt trong dải tần của UWB (3,1GHz - 10,6GHz)

Hình 4.3: Hệ số sóng đứng của anten cơ bản

Hình 4.4 biểu thị trở kháng của S11 trong dải tần mô phỏng tử 2GHz đến 12GHz bằng đồ thị Smith và bằng đồ thị tọa độ cực Kết quả cho thấy việc phối hợp trở kháng tại S11 tương đối tốt trong dải tần UWB

Hình 4.4: Đồ thị Smith và đồ thị tọa độ cực

THI CÔNG , ĐO ĐẠC VÀ HIỆU CHỈNH ANTEN PLANAR

Các thông số thi công

Để đánh giá chất lượng của anten, người ta thường dùng hệ số sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Đây cũng chính là đại lượng đặc trưng cho khả năng phối hợp trở kháng của anten Anten phối hợp trở kháng tốt thì hệ số sóng đứng càng nhỏ Tùy theo yêu cầu của ứng dụng mà người ta đưa ra tiêu chuẩn về VSWR khác nhau Thông thường người ta quy định VSWR < 2 hay S 11 < -10dB Đối với những ứng dụng khắc khe, người ta yêu cầu VSWR < 1.5 Trong đề tài này, anten thực tế được đo kiểm chứng S 11

Do điều kiện hạn chế của phòng thí nghiệm nên các thông số trên được đo đạc trên máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 có tầm đo đến 8Ghz Nên dải tần số cao từ 8 đến 10.6GHz không được kiểm chứng

Anten được thi công trên chất nền FR4, hằng số điện môi tương đối là 4.6 Độ dầy của chất nền là 1.6mm Các thông số của anten được thể hiện trong bảng 5.1

Bảng 5.1: Các thông số của anten được thi công thử nghiệm

Các thông số của anten Giá trị (Đơn vị: mm)

Hình 5.1 cho thấy anten được thi công đúng với kích thước đã nêu và đồng thời được so sánh với đồng xu.

Kết quả đo

Do hạn chế ở điều kiện phòng thí nghiệm nên kết quả chỉ được đo kiểm chứng S11 ở dải tần số đến 8GHz (hình 5.2)

Kết quả đo bằng máy cao tần Network Analyzer ZVB8 cho thấy anten hoạt động tốt trong dải tần 3.1GHz đến 5.1GHz và 5.9GHz đến 8GHz do hệ số phản xạ S11