Bằng phương pháp tham số hóa, phân tích toàn sóng cấu trúc antenna với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, đề tài thực hiện khảo sát đặc tính cộng hưởng của các yếu tố này khi tác động lên
Khái quát công nghệ UWB và các chuẩn quy định
Khái quát công nghệ UWB
UWB đƣợc xem là lĩnh vực nghiên cứu vừa mới vừa cũ[12] Tín hiệu UWB đầu tiên đƣợc phát đi từ thí nghiệm của Heinrich Hertz vào năm 1887 Trong thí nghiệm của này, ông phát đi các tia điện và bức xạ chúng bằng các dipole tải băng rộng Tuy nhiên theo thời gian và do sự phát triển của công nghệ bấy giờ các hệ thống thông tin chuyển sang sử dụng tín hiệu sóng mang băng hẹp Mãi đến năm 1990, khi xử lý tín hiệu số đƣợc cải tiến, và xuất hiện các kỹ thuật trải phổ công nghệ UWB lại đƣợc nghiên cứu phát triển Khi FCC đƣa ra các quy định về dải tần hoạt động không giấy phép cho các thiết bị UWB thì nhiều nước trên thế giới như Nhật, Singapore, Châu Âu cũng đưa ra các chuẩn quy định tương tự Chính điều này đã đẩy mạnh phát triển công nghệ UWB ứng dụng không chỉ trong quân sự mà cả trong dân dụng
Có nhiều cách phân loại hệ thống UWB, tuy nhiên UWB thường được phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng, chia là hai loại: tín hiệu xung cực hẹp và tín hiệu tích hợp đồng thời đa sóng mang[13] Mỗi loại có các ƣu điểm và hạn chế riêng
Impulse UWB (I-UWB) khác với các hệ thống thông tin cổ điển, không điều chế sóng mang sin Thay vào đó, tín hiệu phát đi là chuỗi xung băng gốc, với các xung cực hẹp, phổ tần trải dài trên dải tần GHz
Khi không xét đến tác động kênh truyền, tín hiệu thu đƣợc ở máy thu I-UWB có dạng nhƣ sau[13]
Trong đó, A t i ( )là biên độ xung có giá trị E p với E p là năng lƣợng xung, p t ( ) là dạng xung thu đƣợc có năng lƣợng chuẩn hóa, T f là tần số frame (một UWB frame đƣợc định nghĩa là khoảng thời gian một xung đƣợc truyền đi)
Hình 2.1 So sánh băng tần hoạt động giữa hệ thống thông tin băng hẹp và hệ thống UWB[13]
Multicarrier UWB (MC-UWB) đƣợc sử dụng lần đầu truyền tin tốc độ cao trong lĩnh vực quân sự MC-UWB thường sử dụng OFDM thích hợp với các hệ thống truyền dữ liệu tốc độ cao phát triển trong công nghệ 4G[13]
MC-UWB rất khác với I-UWB Trong MC-UWB, tín hiệu truyền có dạng sau[13]
Trong đó, N là số sóng mang, T s NT b là độ rộng symbol, và d t i ( ) là chuỗi symbol điều chế sóng mang thứ i a) I-UWB b) OFDM MC-UWB
Hình 2.2 So sánh phổ tần giữa I-UWB và MC-UWB[13]
2.1.2 Đặc điểm hệ thống UWB
Hệ thống UWB sử dụng tín hiệu băng tần rất rộng, nằm ở dải tần GHz Việc sử dụng tín hiệu băng rộng tạo ra các ƣu thế về độ chính xác trong xác định khoảng cách, hạn chế fading trong truyền sóng, xuyên qua vật thể tốt hơn, che giấu tín hiệu, chống lại nghẽn, loại bỏ can nhiễu và có thể cùng hoạt động với các hệ thống băng hẹp[12] Tuy nhiên, UWB cũng có nhiều thách thức trong việc thu phát và xử lý tín hiệu, cần có nhiều nghiên cứu phát triển hơn nữa.
Các chuẩn quy định
Các tổ chức trên thế giới không ngừng đẩy mạnh việc nghiên cứu để đƣa ra các chuẩn, nhƣ dự thảo chuẩn WPAN (Wireless Personal Area Network) IEEE 802.15.3a về lớp vật lý UWB Trong thiết kế antenna UWB, cần xét đến các chuẩn quy định của FCC
2.2.1 Quy định về dải tần
FCC đƣa ra các định nghĩa về giới hạn băng tần hoạt động cho các thiết bị UWB[14], chia băng tần UWB làm hai loại: băng tần tỷ lệ và băng tần tuyệt đối
Hình 2.3 Định nghĩa băng tần của FCC[13]
Gọi f l và f h là các tần số nén 10dB, khi đó
Băng tần tỷ lệ UWB: % 2 h l 20% h l f f
Băng tần tuyệt đối UWB: BW f h f l 500 MHz
Ngoài ra, thiết bị UWB cũng tuân theo các quy định thông thường: % BW 25%, 1.5
BW GHz Các quy định của FCC về thiết bị UWB có thể chia làm ba nhóm:
Imaging System, Vehicular Radar System và Communication & Measurement System Các giới hạn Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP) cũng đƣợc đƣa ra cho các hệ thống này
EIRP là tích của công suất cung cấp cho antenna với độ lợi antenna tại hướng bức xạ cho trước tương ứng với antenna đẳng hướng[14]
Imaging System đƣợc cho phép phát công suất cao hơn các hệ thống khác, vì vật thể mà nó tác động đến hấp thụ phần lớn công suất bức xạ a) Ground Penetrating Radar
Ground Penetrating Radar (GPR) hoạt động ở dải tần thấp dưới 960 MHz để tăng cường độ xuyên sâu, nhưng cũng có thể hoạt động ở dải tần 3.1 GHz
Bảng 2.1 Giới hạn EIRP cho thiết bị GPR[14]
Tần số (GHz) 0-0.96 0.96-1.61 1.61-1.99 1.99-3.1 3.1-10.6 Trên 10.6 Cực đại EIRP
Thiết bị Through-Walls Imaging (TWI) có thể hoạt động ở băng tần dưới 960 MHz hoặc ở băng tần giữa, từ 1990 MHz đến 10600 MHz
Bảng 2.2 Giới hạn EIRP cho các thiết bị TWI[14]
Surveillance System (SS) tạo ra một rào chắn xung quanh khu vực an ninh bằng cách kiểm tra và truy theo các mục tiêu xâm phạm Nó hoạt động ở dải tần giữa từ
Bảng 2.3 Giới hạn EIRP cho các thiết bị SS[14]
Tần số (GHz) 0-0.96 0.96-1.61 1.61-1.99 1.99-10.6 Trên 10.6 Cực đại EIRP
Thiết bị Medical System (MS) hoạt động trong dải tần từ 3100 MHz đến 10600 MHz
Bảng 2.4 Giới hạn EIRP cho các thiết bị MS[14]
Tần số (GHz) 0-0.96 0.96-1.61 1.61-1.99 1.99-3.1 3.1-10.6 Trên 10.6 Cực đại EIRP
Vehicular Radar System (VRS) chiếm dải tần từ 22 GHz đến 29 GHz có tần số trung tâm và mức bức xạ cao nhất phải trên 24.075 GHz
Bảng 2.5 Giới hạn EIRP cho các thiết bị VRS[14]
Tần số (GHz) 0-0.96 0.96-1.61 1.61-22 22-29 29-31 Trên 31 Cực đại EIRP
FCC chia nhóm các thiết bị Communications & Measurement System (CMS) thành hai loại: thiết bị Indoor và thiết bị Outdoor Thiết bị Indoor là nhóm các thiết bị chỉ hoạt động khi có nguồn AC, ngƣợc lại thiết bị Outdoor thuộc dạng các thiết bị cầm tay
Bảng 2.6 Giới hạn EIRP cho các thiết bị CMS[14]
Tần số (GHz) Cực đại EIRP (dBm)
Cực đại EIRP (dBm) Thiết bị Outdoor
2.2.3 Giới hạn công suất đỉnh
Các giới hạn EIRP tính cho công suất trung bình không phải công suất đỉnh Với các thiết bị UWB, công suất đỉnh ngõ ra không tác động đến các mức can nhiễu nhiều nhƣ công suất trung bình Tuy nhiên, FCC cũng đặt ra giới hạn công suất đỉnh, cực đại cho phép là 0 dBm EIRP trên băng thông 50 MHz Vì khó để đo EIRP trong băng thông 50 MHz, công suất đỉnh có thể đƣợc định nghĩa là 20*log(BW/50 MHz) dBm ứng với bất kỳ băng thông từ 1 MHz cho đến 50 MHz Thường tham chiếu đến băng thông 3 MHz tính ở tần số bức xạ cao nhất Giới hạn công suất đỉnh đƣợc áp dụng cho tất cả các thiết bị UWB
Ngoài FCC còn có các tổ chức khác cũng đƣa ra các chuẩn quy định cho hệ thống UWB nhƣ European Telecommunications Standardization Institute (ETSI) với Task Group 31a; European Conference of Postal & Telecommunications Administrations (CEPT) với SE24 về các vấn đề chia sẻ băng tần dưới 6 GHz; International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) với Task Group 1/8; tổ chức Ministry of Public Management, Home Affairs, Post và Telecommunication (MPHPT) ở Nhật cũng đƣa ra các quy định cho thiết bị UWB[13]
Ứng dụng UWB
Các ứng dụng nổi bậc của UWB bao gồm[12]:
Thông tin tốc độ cao (lên đến 500 Mbit/s) với khoảng cách ngắn (< 10 m)
Mạng cảm biến, định vị thông tin tốc độ thấp
Hệ thống radar với độ phân giải không gian cao và có khả năng xuyên sâu vào vật thể
Thông tin tốc độ cao là một trong các đặc trƣng cơ bản của công nghệ UWB, đƣợc lý giải thông qua mối quan hệ giữa tốc độ truyền tin và băng tần trong công thức Nyquist trên kênh truyền Gaussian log 2 1 S
Trong đó, C là cực đại tốc độ kênh truyền (bit/s), B là băng thông kênh truyền (Hz),
S là công suất tín hiệu (W) và N là công suất nhiễu (W)
Băng thông càng rộng tốc độ truyền cực đại càng lớn, tuy nhiên do giới hạn công suất khoảng cách truyền tin không cao Các thiết bị ứng dụng trong lĩnh vực này có thể kể đến nhƣ các thiết bị cầm tay nhƣ điện thoại Samsung tích hợp UWB sử dụng chip UWB tốc độ lên đến 110 Mbps của hãng Freescale Semiconductor, hoặc CableFree USB Hub của hãng Belkin với bốn port tốc độ cao kết nối với bất kỳ thiết bị USB mà không cần cài phần mềm[15]
Hình 2.4 Điện thoại cầm tay có chức năng UWB của Samsung[15]
Hình 2.5 CableFree USB Hub 4 port của Belkin[15]
Ngoài các thiết bị truyền tin tốc độ cao, UWB còn đƣợc ứng dụng để định vị và dò tìm thông qua mạng cảm biến và radar
Các mạng cảm biến UWB đƣợc ứng dụng trong định vị và phát thảo hình ảnh vật thể trong môi trường quan sát được khái quát thành ba nhóm: Multistatic Imaging, Bat-Type Imaging và nhóm kết hợp[16] Trong đó nhóm Bat-Type có thể cảm biến môi trường nhạy hơn, chi tiết hơn a) b)
Hình 2.6 a) Định vị vật thể bằng mạng cảm biến Bat-Type b) Vật thể đƣợc phát thảo bằng mạng cảm biến UWB[16]
Ngoài ra mạng cảm biến UWB còn đƣợc ứng dụng để phát hiện và định vị chuyển động vật thể thay đổi theo thời gian, ứng dụng này đặc biệt có ý nghĩa trong y học, trong việc quan sát nhịp thở nhịp tim người bệnh[16]
Hình 2.7 Hô hấp của con người được quan sát bằng mạng cảm biến radar[16]
UWB còn đƣợc ứng dụng để dò tìm trắc địa, dùng để phát hiện các quặng mỏ sâu bên dưới lòng đất Trong quân sự, UWB có thể sử dụng trong mạng radar nhìn xuyên tường, phát hiện các vật thể di động bị che chắn mà mắt thường không nhìn thấy được UWB còn rất nhiều ứng dụng khác và trong tương lai có thể xem là một trong những công nghệ đƣợc nghiên cứu phát triển với tốc độ cao.
Antenna UWB
Các thông số đặc trƣng của antenna UWB
Trong hệ thống UWB, antenna có thể xem là một trong các phần tử thiết yếu nhất
Do UWB có các đặc điểm khác biệt so với hệ thống vô tuyến băng hẹp truyền thống nên antenna UWB cũng mang những đặc trƣng riêng, những yêu cầu riêng trong thiết kế
3.1.1.1 Độ ringing Độ ringing hay hiệu ứng ringing là đặc trƣng đáp ứng xung của antenna UWB Tín hiệu xung băng rộng sau khi bức xạ từ antenna có sự biến dạng, xuất hiện hiệu ứng này Nguyên nhân là do cấu trúc hình học của antenna Xung gồm nhiều thành phần tần số, mỗi thành phần khi truyền qua antenna UWB có đáp ứng, độ trễ khác nhau, từ đó sinh ra hiệu ứng ringing
Hệ số này đƣợc tính theo công thức[6]
Trong đó, x(t) là tín hiệu xung ở ngỏ vào antenna phát và y(t) là tín hiệu xung ở ngỏ ra antenna thu Hệ số fidelity đánh giá mức độ tương quan giữa tín hiệu phát đi và thu đƣợc giữa hai antenna UWB
Hiệu suất này đƣợc tính theo công thức[7] e total = e r e c e d (3.2)
Trong đó, e total là hiệu suất tổng cộng e r là hiệu suất phản xạ (mất phối hợp trở kháng) ( e r (1 2 ) e c là hiệu suất tổn hao vật dẫn e d là hiệu suất tổn hao điện môi e c e d = e cd là hiệu suất bức xạ Đối với antenna UWB việc phối hợp trở kháng băng rộng trên toàn bộ dải tần là một trong các yêu cầu đặt ra
3.1.2.2 Độ ổn định phân cực Độ ổn định phân cực đƣợc đánh giá từ hệ số mất mát phân cực t r 2 trên toàn dải tần Đối với antenna có phân cực không đồng nhất, phân cực thẳng với thành phần tần số này nhƣng tần số cao hơn phân cực tròn sẽ có độ ổn định phân cực rất thấp
Xét đến hệ số group delay là xem xét đến mô hình truyền giữa antenna phát và antenna thu, nhƣ sau
Hình 3.1 Mô hình truyền sóng giữa antenna phát và antenna thu
Có thể tương đương mô hình bằng một hàm truyền với đáp ứng biên độ H f ( ) và đáp ứng pha ( ) f Khi đó, group delay đƣợc tính theo công thức
Group delay là một trong các thông số đánh giá độ méo dạng đáp ứng xung của antenna UWB
Antenna Thu Môi trường truyền
3.1.2.4 Độ ổn định độ lợi
Khi giữa antenna phát và thu có sự phối hợp trở kháng, phối hợp phân cực tốt, công thức Friis trở thành:
Trong đó, G t ( , t t ), G r ( , r r ) lần lượt là độ lợi của antenna phát và thu theo phương truyền Để tín hiệu xung không méo đáp ứng biên độ của hàm truyền H f ( ) chỉ ra ở trên phải là hằng số, điều này có nghĩa là hệ số
phải ổn định trên toàn miền tần số.
Phân loại antenna UWB
Antenna không cộng hưởng là nhóm antenna không có tần số cộng hưởng rõ rệt, hay hệ số phẩm chất Q rất thấp, đƣợc chia làm nhiều loại sau
3.2.1.1 Antenna không phụ thuộc tần số
Antenna không phụ thuộc tần số có cấu trúc mô tả bằng phương trình trong tọa độ cầu nhƣ sau[7]
Trong đó, r là khoảng cách dọc theo bề mặt hoặc cạnh Khi antenna thay đổi tần số hoạt động với hệ số K lần thấp hơn tần số ban đầu thì cấu trúc vật lý của antenna cũng phải tăng K lần so với cấu trúc ban đầu để duy trì chiều dài điện không đổi Vì vậy, đối với antenna không phụ thuộc tần số, kích thước vật lý r là một hàm theo tọa độ và , sự thay đổi tần số hoạt động tương ứng với việc antenna xoay đi một góc nào đó và vẫn bảo toàn hình dạng[7]
Về mặt lý thuyết kích thước antenna dài ra vô tận, song thực tế kích thước này hữu hạn vì vậy băng tần hoạt động cũng hữu hạn Tiêu biểu cho dạng antenna này có thể kể đến antenna spiral và antenna log-periodic a) Antenna Spiral
Antenna Spiral có dạng theo phương trình sau[7]
Antenna đƣợc cấp feed theo kiểu balance nên khi kết nối với cáp đồng trục 50Ohm cần balun băng rộng, việc thiết kế balun băng rộng đôi khi gây trở ngại và làm tăng kích thước hệ thống Phân cực antenna thay đổi theo tần số, ở tần số thấp có dạng phân cực thẳng, tần số cao phân cực ellip có thể phân cực tròn b) Antenna Log-periodic
Hình dạng antenna được mô tả bằng phương trình sau[7]
Trong đó, hàm sin(.) có thể thay bằng bất kỳ hàm tuần hoàn
Antenna Log-periodic có phase center thay đổi theo tần số, điều này sinh ra hiện tƣợng phân tán tần số, gây méo dạng tín hiệu UWB Cũng nhƣ antenna Spiral kích thước antenna cũng là một trong những hạn chế khi dùng trong các ứng dụng UWB
Antenna Helix có dạng nhƣ hình 3.5 Antenna hoạt động với nhiều mode khác nhau, thường là hai mode: normal (broadside) mode và axial (endfire) mode
Antenna Horn là một trong những antenna có cấu trúc đơn giản nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực cao tần
Hình 3.5 Các dạng antenna Horn[7]
Xuất hiện từ rất sớm, antenna Horn có nhiều dạng khác nhau nhƣ hình 3.6 Tuy nhiên, do độ lợi khó ổn định trên dải tần hoạt động nên vẫn có các hạn chế trong việc sử dụng antenna Horn cho hệ thống UWB Antenna này cũng có sự thay đổi phase center theo tần số, phụ thuộc vào biên độ xung và băng tần hoạt động[6]
Antenna Biconical thuộc nhóm dipole băng rộng, hai nhánh của dipole có dạng hai hình nón tròn xoay
Trở kháng vào antenna tính theo công thức sau[7]
Z (3.8) Trong đó, là góc xòe hình nón Trở kháng vào tỷ lệ nghịch với kích thước antenna, nói cách khác khi antenna Biconical có góc tương đối nhỏ (từ 0 o cho đến 4 o ) trở kháng vào khoảng từ 500 Ohm cho đến hơn 1000 Ohm[7] Giống nhƣ antenna Spiral, Biconical cần cấp balance feeding
Antenna cộng hưởng tiêu biểu là dạng antenna Planar Monopole Planar Monopole chia làm hai loại: Planar Monopole 3D và Planar Monopole 2D
Planar Monopole 3D có nhiều dạng khác nhau, cơ bản có các dạng sau
Thuộc dạng antenna băng rộng, tần số thấp fL tại VSWR = 2 đƣợc tính dựa vào công thức tính cho cyclinder monopole một phần tư bước sóng:
L là chiều dài của cyclinder monopole (cm) r là bán kính tiết diện của cyclinder monopole (cm) p là chiều dài của probe cấp nguồn (cm) f L là tần số thấp (VSWR =2) (GHz) Đối với Planar monopole kích thước L x W, sử dụng biến đổi tương đương[7] r = 0.25W (3.10)
Hình 3.8 a) Antenna Planar tròn và b) Antenna Planar ellip[17]
Microstrip Feed & Coplanar Waveguide Feed
L = 2a (3.12) r = a/4 (3.13) Điều này được giải thích do các mode cộng hưởng của patch hình tròn gần nhau hơn so với patch hình chữ nhật, đồng thời sự thay đổi trở kháng theo tần số nhỏ nên
BW rất rộng có thể đạt đƣợc[17]
CMA có thể xem là dạng đặc biệt của Elliptical monopole antenna khi tỷ số hai trục a/b bằng 1 Khi tỷ số trục a/b tăng từ 1.1 đến 1.4, BW giảm
Ngoài ra còn có các dạng hình tam giác, hình lục giác và các đa giác khác
Planar Monopole 2D hay còn gọi Printed Monopole phân biệt với Planar 3D ở chỗ mặt phẳng đất song song với mặt bức xạ Tùy vào phương pháp feeding mà mặt phẳng đất có thể ở cùng mặt trên của patch bức xạ hoặc ở mặt dưới substrate Loại antenna này có ƣu thế ứng dụng hơn vì mang các ƣu điểm của Microstrip Antenna
3.3 Microstrip feed và Coplanar Waveguide feed
Microstrip line (ML) là cấu trúc đường truyền phổ biến và cơ bản nhất, không chỉ sử dụng trong mạch tích hợp cao tần mà còn đƣợc dùng cấp nguồn cho antenna Mode truyền sóng của ML có thể xem nhƣ TEM
Hình 3.9 Cấu trúc đường truyền ML (a) và phân bố trường (b)[18]
Coplanar wave guide (CPW) đƣợc đƣa ra bởi Wen vào năm 1969 Có cấu trúc và phân bố trường như hình sau
Hình 3.10 Cấu trúc đường truyền CPW (a) và phân bố trường (b)[19]
Mode truyền của CPW là mode quasi-TEM, nhƣng tại tần số cao do xuất hiện thành phần dọc của từ trường nên không còn là dạng TEM
So với microstrip line[19]: o CPW thích hợp với các thiết kế sử dụng một mặt của substrate, nhƣ Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) Dễ dàng kết nối với các phần tử mạch ở dạng nối tiếp hoặc song song o CPW phù hợp với các thiết kế đòi hỏi trở kháng đặc tính cao, trong khi
ML phù hợp với ứng dụng cần tầm trở kháng thấp o Độ suy hao đường truyền tỷ lệ với trở kháng đặc tính Tùy vào trở kháng đặc tính cao/thấp mà độ suy hao của CPW thấp/cao hơn so với ML Tuy nhiên đối với đường truyền trở kháng trung bình, độ suy hao của CPW và
Tuy nhiên CPW cũng có hạn chế về kích thước, các mode lẻ ký sinh, truyền nhiệt không tốt Tổn hao bức xạ cao hơn ML
Khảo sát ảnh hưởng của các thành phần hình học đến đặc tính của antenna Planar UWB
Các mẫu antenna UWB
4.1.1 Antenna hình chữ nhật Đây là dạng antenna cơ bản nhất với patch bức xạ hình chữ nhật, feeding bằng đường Microstrip Line, có cấu trúc đối xứng như hình sau.
Hình 4.1 Mẫu antenna monopole hình chữ nhật Bảng 4.1 Kích thước mẫu antenna monopole hình chữ nhật
Kích thước L_sub W_sub L_patch W_patch L_feed W_feed L_mass gap h
Chất liệu substrate là FR-4 với hằng số điện môi tương đối r 4.3, hằng số từ môi tương đối r 1, góc mất điện môi tan 0.025 Kết quả thiết kế cho thấy băng tần hoạt động -10dB trải từ 2.77-7.19 GHz, nói cách khác BW.8%, phù hợp chuẩn UWB Đồ thị bức xạ đƣợc vẽ trên E-plane và H-plane ứng với các tần số 3GHz, 6GHz, và 10GHz Từ kết quả cho thấy antenna bức xạ theo dạng omni-direction Khi tần số tăng, mode phân bố dòng điện thay đổi, dẫn đến bức xạ có khuynh hướng tập trung theo hướng Oy
Hình 4.2 Đặc tuyến S 11 antenna hình chữ nhật trên đồ thị Smith a) b)
Hình 4.3 Đồ thị bức xạ antenna theo a) H-plane và b) E-plane ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz a) b)
Hình 4.4 a) Độ lợi và b) Hiệu suất antenna a) 3GHz b) 6GHz c) 10GHz
Hình 4.5 Mật độ phân bố dòng điện antenna tại các tần số 3GHz,
Antenna monopole tròn đƣợc sử dụng rộng rãi trong thiết kế antenna UWB do đặc tính băng rộng của nó[17] Mẫu antenna patch bức xạ tròn đƣợc thiết kế đối xứng với feed là đường Coplanar Wave Guide, trên substrate FR4 với hằng số điện môi tương đối e r = 4.3 và bề dày 1 mm Có các kích thước được mô tả theo bảng dưới
Hình 4.6 Mẫu antenna monopole tròn Bảng 4.2 Kích thước mẫu antenna monopole tròn
Kích thước L_sub W_sub R g W_feed W_mass L_mass gap
Hình 4.7 Đặc tuyến S 11 antenna tròn trên đồ thị Smith Băng tần VSWR < 2 trải từ 3.1 GHz đến 12 Ghz, phù hợp chuẩn UWB Tuy nhiên hệ số S11 chƣa tốt ở các tần số lân cận 5GHz Đồ thị bức xạ dạng omni-direction a) H-plane b) E-plane
Hình 4.8 Đồ thị bức xạ antenna ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz a) b)
Hình 4.9 a) Độ lợi và b) Hiệu suất antenna
Mật độ phân bố dòng điện tại các tấn số nhƣ sau a) 3GHz b) 6GHz c) 10GHz
Hình 4.10 Mật độ phân bố dòng điện antenna tại các tần số 3GHz,
Mẫu antenna monopole slot tròn với patch kích thích dạng hình thang đƣợc thiết kế trên substrate FR4 với hằng số điện môi er = 4.3, bề dày h = 1mm
Hình 4.11 Mẫu antenna monopole slot tròn với patch kích thích hình thang Bảng 4.3 Kích thước mẫu antenna monopole slot tròn
Kích thước L_sub W_sub R W1 W2 W3 L g W_feed gap
Hình 4.12 Đặc tuyến S 11 antenna tròn trên đồ thị Smith Băng tần trải từ 2.37-12 GHz với khoảng chắn 4.95-6.60 GHz Đồ thị bức xạ, độ lợi và hiệu suất nhƣ các hình sau a) H-plane b) E-plane
Hình 4.13 Đồ thị bức xạ antenna ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz
Hình 4.14 Độ lợi và hiệu suất antenna a) 3GHz b) 6GHz c) 10GHz
Hình 4.15 Mật độ phân bố dòng điện antenna tại các tần số 3GHz,
Coupling với cạnh bức xạ
Patch chữ nhật coupling với cạnh bức xạ antenna monopole đƣợc tham số vị trí và kích thước như hình sau
Hình 4.16 Tham số hóa vị trí và kích thước của patch phụ hình chữ nhật
Với L/h = 13, W/h = 1, x/h = 1, y/h = 1.5, tác động của patch phụ lên hệ số phản xạ, trở kháng vào antenna và mật độ phân bố dòng điện nhƣ sau
Hình 4.17 Đồ thị Return Loss ứng với các trường hợp
Hệ số phản xạ tăng mạnh tại tần số 5.5 GHz, nguyên nhân do phần thực trở kháng vào Z 11 tăng lên (gần 60 Ohm) tại tần số này Trong khoảng băng tần -10dB độ ổn định hệ số phản xạ tăng
So sánh trở kháng antenna trong hai trường hợp có và không có patch phụ coupling cạnh bức xạ, nhận thấy xuất hiện tần số cộng hưởng f 0 = 6.87 GHz, tại tần số này phần ảo trở kháng tăng từ -20.95j đến -0.28j Ohm trong khi phần thực tăng từ 78.60 đến 123.23 Ohm Trở kháng biến đổi mạnh trong khoảng tần số 4.5-7.5 GHz
Hình 4.18 Trở kháng vào antenna ứng với các trường hợp có và không có coupling patch phụ a) b)
Hình 4.19 Đồ thị bức xạ trong a) H-plane và b) E-plane ứng với các tần số 3GHz,
6GHz và 10 GHz trong hai trường hợp có và không có coupling
Hình 4.20 Đồ thị bức xạ trong a) H-plane và b) E-plane ứng với tần số 6.87GHz, trong hai trường hợp có và không có coupling
Từ đồ thị bức xạ có thể thấy có sự thay đổi nhẹ ở các tần số khác 6.87 GHz, ở tần số thấp 3GHz, hầu như không bị tác động Tại tần số cộng hưởng bức xạ giảm mạnh, trong H-plane độ lợi giảm trong khoảng từ 0.45 dB (hướng 0 o ) đến 3.84 dB (hướng 95.1 o ), trong E-plane giảm đến 14.2 dB (hướng 155 o ) Độ lợi thay đổi nhiều trong dải tần 5.5-9.5 GHz Hiệu suất giảm 14% tại tần số cộng hưởng a) b)
Hình 4.21 a) Độ lợi và b) Hiệu suất antenna trong hai trường hợp có và không có coupling a) 3GHz b) 6GHz c) 6.87GHz d) 10GHz
Hình 4.22 Mật độ dòng điện tại các tần số 3GHz, 6GHz, 6.87GHz và 10GHz
Mật độ dòng điện tại tần số cộng hưởng phụ tập trung vào coupling
Khảo sát sự biến đổi tần số cộng hưởng phụ và hệ số phẩm chất Q theo các tham số vị trí và kích thước của patch phụ coupling với cạnh bức xạ
Hình 4.23 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo tham số vị trí ứng với W/h = 1 & L/h = 13
Có thể thấy, tần số cộng hưởng của patch phụ tăng khi khoảng cách y tăng, nghĩa là khi patch coupling gần cạnh dưới của antenna Đồng thời khi khoảng cách coupling tăng (x tăng), hệ số phẩm chất Q giảm, tính cộng hưởng giảm
Tần số cộng hưởng không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách mà còn phụ thuộc vào tham số kích thước của patch phụ Patch phụ với chiều dài L và chiều rộng W thay đổi đƣợc khảo sát ứng với coupling ở ba vị trí: I, II và III so với cạnh bức xạ a) Vị trí I b) Vị trí II c) Vị trí III
Hình 4.24 Các vị trí khảo sát L & W
Các kết quả thu đƣợc nhƣ sau
Hình 4.25 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo tham số kích thước ứng với vị trí I
Hình 4.26 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo tham số kích thước ứng với vị trí II
Hình 4.27 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo tham số kích thước ứng với vị trí III giảm ứng với các kích thước W Hệ số phẩm chất cực đại tại L/h = 13 khi đó L/L rad.edge = 81.25% với L rad.edge là chiều dài vật lý cạnh bức xạ
So sánh tương đối giữa kích thước patch hình chữ nhật và bước sóng cộng hưởng thông qua tỷ số
Trong đó, 0 là bước sóng cộng hưởng tính theo công thức[18]
f (4.2) e er 1 er 1 1 er ff 2 2 1 12 / Wh
Kết quả nhƣ đồ thị sau a) Vị trí I b) Vị trí II c) Vị trí III
Hình 4.28 Tỷ số RT ứng với các trường hợp thay đổi kích thước a) b)
Hình 4.29 Tần số cộng hưởng f 0 biến đổi ứng với h và er khác nhau a) Theo kích thước L (x=1mm, W=7mm, y ở vị trí I) b) Theo vị trí y (x=7mm, W=1mm, Lmm)
Tần số cộng hưởng thay đổi theo phương trình đường cong bậc ba khi chiều dài L tăng dần f0 tỷ lệ nghịch với hằng số điện môi er, điều này phù hợp với công thức tính 0 ereff f c
(c là vận tốc ánh sáng, er eff là hằng số điện môi hiệu dụng)
Khảo sát các dạng patch phụ khác: patch hình thang (khoảng cách coupling thay đổi tuyến tính theo tọa độ y), patch hình ellip (khoảng cách coupling thay đổi theo hàm ellip) a) Patch hình thang A b) Patch hình thang B c) Patch hình ellip
Hình 4.30 Patch phụ hình thang & ellip
Nếu patch phụ hình chữ nhật có kích thước L0 x W 0 và đặt ở vị trí (x 0 , y 0 ) thì các patch hình thang A (B) có đường cao bằng L 0 , hai cạnh đáy là W 0 và 2*W 0 đặt ở vị trí y 0 với khoảng cách coupling tăng (giảm) tuyến tính từ x 0 – 0.5 đến x 0 + 0.5 khoảng cách coupling biến đổi theo hàm ellip sao cho cực tiểu bằng x0 Các kết mô phỏng thu được cho trường hợp L 0 /h = 13, W 0 /h = 1, x 0 /h = 1, y 0 /h = 1.5 như sau
Hình 4.31 Hệ số phản xạ ứng với các dạng patch phụ khác nhau
Các patch phụ đều làm S 11 giảm mạnh tại tần số 5.5 GHz, tuy nhiên có khác nhau Patch ellip giảm thấp và có khuynh hướng mở rộng băng tần -15dB, patch hình chữ nhật có độ ổn định hệ số phản xạ cao và đáp ứng tại tần số 6.5 GHz khá dốc, patch hình thang làm tăng mạnh hệ số phản xạ đặc biệt là hình thang A
Hình 4.32 Với các dạng patch khác nhau tần số cộng hưởng bị lệch đi
Quan sát trở kháng vào antenna nhận thấy: tần số cộng hưởng phụ dịch chuyển theo các loại patch Patch hình thang A và B làm dịch tần số sang hai bên so với patch hình chữ nhật tương ứng +70 MHz, -50MHz Trong khi đó, patch hình ellip dịch đi sánh đặc tính cộng hưởng của các dạng patch hình chữ nhật, hình thang (A&B), hình ellip theo các tham số vị trí (x, y), các tham số kích thước (L, W) như sau
Hình 4.33 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí y
(x/h = 1, L/h = 13, W/h = 3 ) ứng với các dạng patch Khi y tăng, patch có khuynh hướng coupling gần cạnh dưới của patch bức xạ tần số cộng hưởng tăng So sánh giữa các dạng patch khác nhau, tốc độ tăng tương đối bằng nhau Hình ellip có tần số cộng hưởng cao hơn các dạng khác do đặc trưng dạng biên đường cong tuy nhiên hệ số phẩm chất khá thấp
Hình 4.34 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí x
(y/h = 3, L/h = 13, W/h = 3) ứng với các dạng patch Khi khoảng cách coupling x tăng lên, xét tính cộng hưởng, patch hình thang A và B có khuynh hướng đồng nhất
Hình 4.35 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước L
(x/h = 1, y vị trí II, W/h =3) ứng với các dạng patch
Hình 4.36 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước W (x/h = 1, y/h = 3, L/h = 13) ứng với các dạng patch
Khi bề rộng của các dạng patch phụ đạt đƣợc một giá trị nhất định, tần số cộng hưởng có khuynh hướng tăng lên Nguyên nhân là do diện tích patch mở rộng, dẫn đến có sự phân bố lại các mode dòng điện[9][10], kết quả là tần số cao cộng hưởng nổi trội hơn
Xét riêng patch hình thang, khi coupling với cạnh bức xạ khoảng cách coupling thay đổi tuyến tính theo cạnh xiêng Đặc tính cộng hưởng thay đổi theo góc nghiêng này được khảo sát ứng với các thông số kích thước L 0 /h = 13, W 0 /h = 5, y 0 /h = 8 và x 0 /h nhận các giá trị 3, 5, 7
Slot dọc theo cạnh trên của mass
Tham số hóa kích thước slot dọc cạnh trên mass trong antenna hình chữ nhật như các hình sau a) Hình chữ nhật b) Hình thang A c) Hình thang B d) Hình ellip
Hình 4.69 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh trên mass antenna hình chữ nhật Trong đó, tham số x đặc trưng cho khoảng cách tương đối của slot với cạnh feeding; tham số y đặc trưng khoảng cách giữa slot và cạnh trên của mass W và L tương ứng là hai chiều kích thước của slot Khi L tăng, tần số cộng hưởng giảm Tuy nhiên khác với trường hợp slot nằm dọc cạnh bức xạ, khi slot dọc cạnh trên của mass tần số f 0 giảm tỷ lệ với chiều tăng của W và x, tỷ lệ nghịch với chiều tăng của y
Hình 4.70 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo L (W/h = 1, x/h = 0.5, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật
Hình 4.71 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo W (L/h = 13, x/h = 0.5, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật
Hình 4.72 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo vị trí x (L/h = 13, W/h = 1, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật
Hình 4.73 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo vị trí y
(L/h = 13, W/h = 1, x/h = 0.5) ứng với các dạng patch Với antenna monopole tròn, tương tự, slot được tham số hóa như sau a) Hình chữ nhật b) Hình thang A c) Hình thang B d) Hình ellip
Hình 4.74 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh trên mass antenna tròn
Hình 4.75 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo L
(W/h = 1, x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn Với tham số L tăng dần, trong khi f 0 giảm với độ dốc tương đối cao ứng với các dạng slot hình chữ nhật và hình vuông, riêng slot hình ellip hầu nhƣ độ dốc rất thấp, hệ số phản xạ tại tần số cộng hưởng rất ít thay đổi theo L Đối với dạng hình thang
A trở kháng phối hợp với hệ số phản xạ đạt dưới -60dB
Hình 4.76 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo W (L/h = 10, x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn Tương tự như trường hợp L, khi W thay đổi, ứng với slot ellip, hệ số phản xạ tại tần số cộng hưởng hầu như thay đổi rất ít so với các dạng slot hình chữ nhật và hình thang
Theo chiều tăng của tham số x, độ lệch giữa tần số f 0 của slot hình chữ nhật và các slot hình thang giảm thấp, đồng thời hệ số phản xạ cũng giảm, giá trị thấp nhất gần -30dB
Hình 4.77 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo vị trí x (L/h = 10, W/h = 1, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn
Hình 4.78 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo vị trí y (L/h = 10, W/h = 1, x/h = 2) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn Nhƣ antenna monopole hình chữ nhật và monopole tròn, các slot dọc theo cạnh trên mass antenna slot tròn cũng được tham số hóa vị trí, kích thước và khảo sát đặc tính cộng hưởng như đồ thị bên dưới a) Hình chữ nhật b) Hình thang A c) Hình thang B d) Hình ellip
Hình 4.79 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh trên mass antenna slot tròn
Hình 4.80 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo L (W/h = 1, x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn
Hình 4.81 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo W (L/h = 10, x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn phối hợp của trở kháng giảm tại tần số cộng hưởng
Hình 4.82 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo vị trí x (L/h = 10, W/h = 1, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn Khi tham số x tăng, tần số cộng hưởng tăng và trở kháng phối hợp càng tốt đạt giá trị dưới -40dB Khi y tăng hệ số phản xạ biến đổi mạnh ứng với slot ellip
Hình 4.83 Tần số cộng hưởng f 0 & hệ số phản xạ tại f 0 thay đổi theo vị trí y (L/h = 10, W/h = 1, x/h = 2) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn Nhƣ vậy, các yếu tố hình học khi đƣa vào cấu trúc antenna đóng vai trò bộ cộng hưởng phụ Tại tần số cộng hưởng, trở kháng vào antenna bị tác động, có sự phối hợp lại và thay đổi hệ số phản xạ antenna Nhìn chung, các khảo sát tại tần số cộng hưởng này cho thấy hệ số phản xạ có thể được phối hợp tốt hơn song độ lợi và hiệu suất có khuynh hướng suy giảm giá trị W cũng đóng vai trò quan trọng làm gia/giảm chiểu dài hiệu dụng của yếu tố
Vị trí yếu tố trong cấu trúc antenna đóng vai trò vô cùng quan trọng, các kết quả khảo sát cho thấy, vị trí tác động đến tăng/giảm tần số cộng hưởng và có thể tăng tính phối hợp trở kháng cho hệ số phản xạ tốt hơn.
Thiết kế antenna UWB
Antenna Monopole tròn với hai patch phụ coupling cạnh bức xạ
Thiết kế đi từ dạng monopole tròn được cấp nguồn bằng đường Taper Coplanar Waveguide, sử dụng substrate FR4 với er = 4.3 & h = 1mm
Với hệ số phản xạ có băng tần bao phủ dài UWB (3.1-10.6GHz)
Hình 5.2 Hệ số phản xạ antenna monopole tròn
Từ kết quả khảo sát coupling cạnh bức xạ, ứng với trường hợp khoảng cách coupling không đổi, chiều dài cung patch phụ được tính toán sao cho bằng nữa bước sóng tại tần số trung tâm băng chắn f 0 , đƣợc tính theo công thức
Trong đó, c là vận tốc ánh sáng, f 0 = 5.5GHz (chắn dải tần WLAN 5.150-5.825 GHz), er là hằng số điện môi substrate
Vị trí patch cung tròn được lựa chọn như trường hợp coupling gần cạnh dưới của patch bức xạ antenna hình chữ nhật, trong trường hợp này góc xoay được tối ưu có giá trị Antenna có cấu trúc và kích thước như sau:
Hình 5.3 Antenna monopole tròn với hai patch coupling
Giá trị (mm) 50 50 10.2 12.2 11.2 74 o 77 o gap W1 W2 g W_mass L_mass
Kết quả hệ số phản xạ và trở kháng vào biến đổi nhƣ sau
Hình 5.4 Hệ số phản xạ trường hợp có và không có patch coupling
Hình 5.5 Trở kháng antenna trường hợp có và không có patch coupling a) H-plane b) E-plane
Hình 5.6 Đồ thị bức xạ antenna ứng với có và không có patch phụ tại các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz a) H-plane b) E-plane
Hình 5.7 Đồ thị bức xạ antenna ứng với có và không có patch phụ tại 5.5GHz
Quan sát tại các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz, nhận thấy bức xạ biến đổi nhiều hơn khi tần số càng lớn, vẫn giữ dạng Omni-direction Tại tần số cộng hưởng f 0 , bức xạ giảm mạnh theo hướng 0 o trong H-plane
Hiệu suất và độ lợi giảm tại tần số f 0 , và trong dải thông vẫn trên giá trị đề ra
Từ các nhận xét rút ra trong khảo sát tác động của các yếu tố hình học tiến hành phân tích định tính tác động patch phụ lên cấu trúc antenna Với chiều dài cung tương đương nữa bước sóng tại tần số cộng hưởng f 0 , patch phụ đóng vai trò bộ cộng hưởng ở các tần số f 0 và 2f 0 Mặt khác, do đặt ở vị trí gần cạnh trên của mass, nên xuất hiện coupling với cạnh này Điện dung coupling có thể đƣợc mô tả định tính nhƣ sau
Hình 5.10 Điện dung coupling của patch phụ cạnh bức xạ và mass Cr & C m là điện dung với cạnh bức xạ và mass Trước khi phân tích mạch tương đương của yếu tố hình học này, antenna monopole tròn khi chƣa có patch phụ đƣợc phân tích thành hai khối nhƣ sau
Hình 5.11 Sơ đồ tương đương của antenna monopole tròn không có patch phụ
Hình 5.12 So sánh sơ đồ tương đương và phân tích toàn sóng antenna monopole Khi thêm hai patch có dạng cung tròn vào cấu trúc antenna, tương ứng sơ đồ tương có thêm các bộ cộng hưởng song song (R1, L1, C1) và (R2, L2, C2) tại các tần số f 0 và 2f 0 Đặc tính coupling với mass tương đương với bộ (R3, L3, C3) mắc nối tiếp
Hình 5.13 Sơ đồ tương đương antenna có Notched Bảng 5.2 Thông số mạch tương đương
So sánh hệ số phản xạ S 11 ứng với kết quả phân tích toàn sóng bằng CST Microwave Studio và phân tích mạch tương đương bằng ADS Agilent như sau
Hình 5.14 So sánh hệ số phản xạ giữa phân tích toàn sóng
Do đặc tính của cấu trúc phân bố và mạch tập trung, đáp ứng sơ đồ tương đương có sai khác so với kết quả phân tích toàn sóng song vẫn có dạng tương đồng Mật độ phân bố dòng điện tại tần số cộng hưởng Band-Notched tập trung chủ yếu ở patch coupling a) 3GHz b) 5.5GHz c) 6GHz d) 10GHz
Hình 5.15 Mật độ dòng điện antenna tại các tần số
Thông số Group Delay được tính toán cho các trường hợp Face-to-Face, Front-and- Back và Side-by-Side với khoảng cách giữa hai mãu antenna là 100 mm a) Face-to-Face b)Front-and-Back c) Side-by-Side
Hình 5.16 Cấu trúc mô phỏng Group Delay antenna UWB
Hình 5.17 Group Delay trong các trường hợp
Trong trường hợp Front-and-Back, Group Delay đạt cực đại tại trung tâm Band Notched Hệ số Fidelity cũng được tính toán cho các trường hợp
Trường hợp Face-to-Face Front-and-Back Side-by-Side
Kết quả thi công và đo đạc sử dụng máy Vector Network Analyzer ROHDE & SCHWARZ có dạng tương đồng với thiết kế
Hình 5.18 Antenna thi công & Kết quả đo đạc
Hình 5.19 Đồ thị S 11 phân tích toàn sóng, mạch tương đương và đo đạc
Hình 5.20 Đồ thị VSWR phân tích toàn sóng, mạch tương đương và đo đạc
Antenna ban đầu dạng cơ bản monopole tròn thiết kế trên substrate FR4 có hằng số điện môi er = 4.3 và bề dày h = 1mm với hình dạng nhƣ sau
Hình 5.21 Antenna monopole tròn và đáp ứng Return Loss
Các slot có chiều dài hiệu dụng bằng nữa bước sóng tại tần sô f 0 (5.5 GHz) đều tạo ra dải chắn cho antenna tại dải tần WLAN Ở đây, xuất phát từ dạng slot hình chữ nhật dọc theo cạnh trên của mass, dạng Meander Line cho tác động tập trung hơn, dạng slot hình số 8 được thêm vào để tăng cường tính chắn dải
Hình 5.22 Antenna monopole tròn với slot hình số 8 & meander line
Kích thước L_sub W_sub R L1 W2 gap W3 L2 W1 g
20.5 30 6.2 4 4 4.7 0.5 0.5 0.5 0.7 0.5 Đáp ứng S 11 và trở kháng antenna nhƣ sau
Hình 5.23 Hệ số phản xạ khi có & không có các slot
Hình 5.24 Trở kháng antenna ứng với trường hợp có & không có các slot a) H-plane b) E-plane
Hình 5.25 Đồ thị bức xạ ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz a) H-plane b) E-plane
Hình 5.26 Đồ thị bức xạ ứng với các tần số 5.5GHz
Hình 5.27 Độ lợi antenna có & không có Band-Notched
Hình 5.28 Hiệu suất antenna giảm mạnh tại Band Notched dải thông So với antenna thiết kế trước, antenna này cho đặc tính chắn dải tốt hơn do được tăng cường bởi 8-slot và meander slot
Hình 5.29 So sánh tỷ số sóng đứng antenna
Mật độ phân bố dòng điện antenna nhƣ hình sau a) 3GHz b) 5.5GHz c) 6GHz d) 10GHz
Hình 5.30 Mật độ dòng điện antenna UWB
Group Delay cũng được mô phỏng cho ba trường hợp Face-to-Face, Front-and-Back và Side-by-Side với kết quả nhƣ sau
Hình 5.31 Group Delay trong các trường hợp Bảng 5.5 Hệ số Fidelity
Trường hợp Face-to-Face Front-and-Back Side-by-Side
Kết quả thi công và đo đạc sử dụng máy Vector Network Analyzer ROHDE & SCHWARZ
Hình 5.32 Antenna thi công & Kết quả đo đạc
Hình 5.33 Đồ thị S 11 antenna ứng với phân tích toàn sóng, mạch tương đương và đo đạc
Hình 5.34 Đồ thị VSWR antenna ứng với phân tích toàn sóng, mạch tương đương và đo đạc Kết quả mô phỏng và đo đạc có sai khác song vẫn có dạng tương đồng.
Antenna Monopole tròn với slot hình số 8 & meander slot
Trong quá trình thực hiện, đề tài đã đi vào nghiên cứu các dạng antenna UWB đặc biệt là antenna Planar UWB Dựa trên cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa mật độ dòng điện với bức xạ điện từ và các hướng tiếp cận khác (Charatercurrent Mode, phân tích mạch tương đương) cũng như tìm hiểu các công trình nghiên cứu đi trước, đã để ra phương pháp tham số hóa và tiến hành khảo sát các yếu tố hình học cơ bản (hình chữ nhật, hình thang, hình ellip) trên các antenna UWB: monopole chữ nhật, monopole tròn và slot tròn, ứng với các trường hợp coupling cạnh bức xạ, slot dọc cạnh bức xạ, slot dọc cạnh trên của mass Các kết quả cho thấy yếu tố hình học đóng vai trò bộ cộng hưởng phụ với tần số cộng hưởng biến đổi theo các tham số tọa độ và kích thước Đặc tính cộng hưởng này tác động vào trở kháng vào antenna kết quả có sự phối hợp lại có thể làm cho hệ số phản xạ giảm đáng kể, song độ lợi và hiệu suất antenna tại tần số này có khuynh hướng suy giảm theo
Từ các nhật xét rút ra, đề tài đi vào thiết kế hai dạng antenna UWB monopole: antenna UWB với hai patch hình vòng cung coupling cạnh bức xạ và antenna UWB với Meander Slot & 8-Shaped Slot Cả hai đều có băng tần hoạt động trải từ 3.1GHz đến 10.6Ghz, với Band-Notched chắn dải tần WLAN 5.150-5.825GHz Các cấu trúc antenna đƣợc thi công đo đạc đối chiếu kết quả Đặc tính coupling của patch vòng cung đƣợc phân tích định tính từ đó đƣa ra sơ đồ mạch tương đương Mạch tương đương được mô phỏng so sánh kết quả với phân tích toàn sóng điện từ và thi công đo đạc
Tuy nhiên, đề tài vẫn chƣa khảo sát cho tất cả các dạng yếu tố hình học cũng nhƣ tác động lên tất cả các dạng antenna Planar UWB, do yếu tố thời gian Các khảo sát dừng lại ở các dạng cơ bản, cũng như các trường hợp tiêu biểu mang tính nền tảng.