Thiết kế chế tạo anten cho hệ thống thông tin vô tuyến nhiều phát nhiều thu

Bằng việc kết hợp các bộ chuyển mạch có độ cách ly cao, suy hao thấp như các bộ chuyển mạch MEMS hoặc PIN diode với các thành phần anten tương thích, chúng ta có thể cấu hình lại anten v

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 11

1.1 Giới thiệu về anten vi dải 11

1.2 Các ưu điểm và hạn chế của anten vi dải 11

1.3 Cấu trúc cơ bản của anten vi dải 12

1.4 Cơ chế bức xạ của anten vi dải 14

1.5 Các phương pháp tiếp điện 15

1.5.1 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục 15

1.5.2 Tiếp điện bằng đường vi dải 16

1.5.3 Ghép nối điện từ 17

1.5.4 Ghép nối qua khe 18

1.5.5 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng 19

1.6 Các loại anten vi dải thông dụng 21

1.6.1 Anten vi dải dạng tấm ( Microstrip Patch Antenna) 21

1.6.2 Anten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna) 21

1.6.3 Anten khe vi dải (Print Slot Antenna) 22

1.6.4 Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) 23

1.6.5 Anten vi dải đơn cực (Printed Monopoles Antenna) 23

1.6.6 Anten phẳng PIFA (Planar Inverted F Antenna) 27

1.7 Kết luận 30

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ANTEN TỰ CẤU HÌNH 31

2.1 Giới thiệu chung về anten tự cấu hình 31

2.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình 32

2.3 Phân loại anten tự cấu hình 32

2.3.1 Khả năng tự cấu hình về tần số 32

2.3.2 Khả năng tự cấu hình về đồ thị bức xạ 33

2.3.3 Khả năng tự cấu hình phân cực 33

2.4 Một số kỹ thuật chuyển mạch thông dụng 33

2.4.1 Bộ chuyển mạch PIN diode 33

2.4.2 Bộ chuyển mạch diode biến dung 35

2.4.3 Hệ vi cơ điện tử MEMS 36

2.5 Các nguyên lý thiết kế cơ bản 37

2.6 Một số mẫu anten tự cấu hình 38

2.6.1 Anten tự cấu hình sử dụng các bộ chuyển mạch (nhóm 1) 38

2.6.2 Anten tự cấu hình sử dụng tụ điện hoặc biến dung ( nhóm 2) 43

2.6.3 Anten tự cấu hình sử dụng sự thay đổi góc vật lý (nhóm 3) 44

2.6.4 Anten sử dụng mạng tiếp điện có khả năng cấu hình lại (nhóm 4) 45

2.7 Một vài thiết kế mới anten tự cấu hình 46

2.7.1 Anten tự cấu hình dựa trên tiếp điện quay 46

2.7.1.1 Cấu trúc và thuộc tính của anten 46

2.7.1.2 Thiết kế anten tự cấu hình 47

2.7.1.3 Điều khiển tiến trình quay 49

2.7.2 Anten tự cấu hình dạng hình sao 49

2.7.2.1 Cấu trúc anten 49

2.7.2.2 Sự cấu hình lại của anten 50

2.8 Kết luận 52

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ 53

3.1 Giới thiệu chung 53

3.1.1 Thiết kế, mô phỏng anten vi dải monopole-C tự cấu hình theo tần số 53 3.1.2 Mô hình thiết kế mô phỏng 53

3.1.3 Tối ưu và kết quả mô phỏng 56

3.1.3.1 Kết quả mô phỏng khi PIN diode phân cực thuận (Trạng thái ON)……… 57

3.1.3.2 Kết quả mô phỏng khi PIN diode phân cực ngược (Trạng thái OFF)………… 58

3.2 Thiết kế, mô phỏng anten PIFA tự cấu hình theo tần số 60

3.2.1 Mô hình thiết kế mô phỏng 60

3.2.2 Tối ưu và kết quả mô phỏng 61

3.3 Kết luận 67

KẾT LUẬN CHUNG 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Anten vi dải hình chữ nhật [1] 13

Hình 1.2 Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải [1] 14

Hình 1.3 Minh họa trường biên của anten vi dải hình chữ nhật [1] 15

Hình 1.4 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục [1] 16

Hình 1.5 Tiếp điện bằng đường vi dải [1] 16

Hình 1.6 Tiếp điện bằng ghép nối gần [2] 18

Hình 1.7 Ghép nối qua khe [3] 19

Hình 1.8 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng [2] 19

Hình 1.9 Ống dẫn sóng đồng trục [2] 19

Hình 1.10 Một số hình dạng của phiến kim loại [1] 21

Hình 1.11 Cấu trúc anten dipole mạch dải [4] 22

Hình 1.12 Các dạng cơ bản của anten khe vi dải [4] 23

Hình 1.13 Các dạng cơ bản của anten vi dải sóng chạy [4] 23

Hình 1.14 Mô hình anten đơn cực vi dải đơn giản [5] 26

Hình 1.15 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ L [5] 26

Hình 1.16 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ C [5] 26

Hình 1.17 Anten IFA [6] 27

Hình 1.18 Anten PIFA [6] 29

Hình 2.1 PIN diode [14] 34

Hình 2.2 Ký hiệu mạch điện của PIN diode [14] 34

Hình 2.3 Điốt phân cực thuận (trạng thái ON) [14] 35

Hình 2.4 Điốt phân cực ngược (trạng thái OFF) [14] 35

Hình 2.5 Điốt biến dung/Điốt varicap [14] 35

Hình 2.6 Mặt các ngang của bộ chuyển mạch điện dung MEMS được thực hiện

trong NXP [19] 37

Hình 2.7 Khe hình vành khuyên được tích hợp với hai cánh tay của hai thiết bị truyền động MEMS [20] 37

Hình 2.8 Anten tự cấu hình gồm các ô bức xạ được kết nối bởi các bộ chuyển mạch RF MEMS cấu hình mở [21] 39

Hình 2.9 Cấu hình của anten hoạt động ở 2 tần số khác nhau [21] 39

Hình2.10 Anten Yagi tự cấu hình [22] 40

Hình 2.11 Anten nhiều phần với các bộ chuyển mạch được sử dụng để thay đổi chiều dài đoạn xoắn ốc [22] 40

Hình 2.12 Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức [22] 41

Hình 2.13 Anten hai băng tần sử dụng RF MEMS [22] 42

Hình 2.14 Anten khe hình vành khăn sử dụng PIN diode [23] 42

Hình 2.15 Anten PIFA sử dụng diode biến dung [24] 44

Hình 2.16 Anten có thể được uốn cong nhờ từ trường ngoài [22] 44

Hình 2.17 Anten với vị trí tiếp điện có thể thay đổi [22] 45

Hình 2.18 Anten với mạch tiếp điện cấu hình lại được [22] 46

Hình 2.19 Cấu trúc anten với các khe [22] 47

Hình 2.20 Hệ số VSWR cho 3 vị trí khác nhau của khe [22] 47

Hình 2.21 Mặt trước và sau của mẫu anten [22] 48

Hình 2.22 Vị trí của các khe trên khối trụ [22] 48

Hình 2.23 So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo đạc 49

của tổn hao ngược [22] 49

Hình 2.24 Cấu trúc anten dạng hình sao [22] 50

Hình 2.25 Vị trí các bộ chuyển mạch [22] 50

Hình 2.26 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch hở ở 2.8GHz [22] 51

Hình 2.27 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch đóng ở 2.8GHz [22] 51

Hình 2.28 So sánh suy hao ngược với các cấu hình khác nhau của anten [22] 52

Hình 3.1 Cấu trúc anten monople-C tự cấu hình theo tần số [5] 54

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng anten với bộ chuyển mạch điốt PIN 56

Hình 3.3 Tổn hao ngược S11 của anten khi PIN diode phân cực thuận 57

Hình 3.4 Trở kháng Z0 của anten khi PIN diode phân cực thuận 57

Hình 3.5 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại 2.158 GHz khi PIN diode phân cực thuận 57

Hình 3.6 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại 2.158 GHz khi PIN diode phân cực thuận 58

Hình 3.7 Tổn hao ngược S11 của anten khi PIN diode phân cực ngược 58

Hình 3.8 Trở kháng Z0 của anten khi PIN diode phân cực ngược 59

Hình 3.9 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 2.5 GHz khi PIN diode phân cực ngược 59

Hình 3.10 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tần số 2.5 GHz khi PIN diode phân cực ngược 59

Hình 3.11 Anten PIFA 61

Hình 3.12 Mô hình mô phỏng anten PIFA với diode biến dung 62

Hình 3.13 Tổn hao ngược của anten khi điện dung của diode C=2pF 63

Hình 3.14 Tổn hao ngược của anten khi điện dung của diode C=7pF 63

Hình 3.15 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 1.75742 GHz (C=7pF) 64

Hình 3.16 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 3.3 GHz (C=7pF) 64

Hình 3.17 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 1.730 GHz (C=2pF) 65

Hình 3.18 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 3.3 GHz (C=2pF) 65

Hình 3.19 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 1.57542 GHz (C=7pF) 65

Hình 3.21 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 1.730 GHz (C=2pF) 66 Hình 3.22 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 1.57542 GHz (C=2pF) 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Các băng tần chuẩn cho ứng dụng không dây 54

Bảng 3.2 Các kích thước của anten monopole-C tự cấu hình 55

Bảng 3.3 Các kích thước của anten monopole-C được mô phỏng 56

Bảng 3.4 Kích thước anten PIFA được sử dụng để mô phỏng 61

Bảng 3.5 Kích thước anten sau khi đã tối ưu 62

Bảng 3.6 Kết quả thu được từ mô phỏng anten PIFA tự cấu hình 63

MỞ ĐẦU

Trong các hệ thống viễn thông ngày nay, các thiết bị di động ngày càng được thu nhỏ về kích thước, đồng thời cũng được tích hợp ngày càng nhiều chức năng phục vụ cho nhiều mục đích Việc nghiên cứu chế tạo các anten có nhiều thuộc tính bức xạ khác nhau, hoạt động được trong nhiều dải tần khác nhau sẽ góp phần giảm nhỏ kích thước cho các thiết bị này Các anten tự cấu hình với khả năng hiệu chỉnh tần số bức xạ, thay đổi sự phân cực và điều chỉnh đồ thị bức xạ, đã được nghiên cứu phát triển ngày càng rộng rãi Với sự đa dạng của anten tự cấu hình đã tạo ra một tầm nhìn mới cho các loại ứng dụng khác nhau, đặc biệt trong ứng dụng vô tuyến nhận thức, các hệ thống nhiều phát nhiều thu, các hệ thống vệ tinh, và nhiều ứng dụng khác

Cho đến nay, các anten tự cấu hình đã được chế tạo bằng nhiều kỹ thuật khác nhau Kỹ thuật thông dụng nhất được sử dụng đó là kỹ thuật chuyển mạch Bằng việc kết hợp các bộ chuyển mạch có độ cách ly cao, suy hao thấp như các bộ chuyển mạch MEMS hoặc PIN diode với các thành phần anten tương thích, chúng ta có thể cấu hình lại anten và cấu trúc tiếp điện của anten, tạo nên tính đa dạng trong phân cực và tần số Các kỹ thuật khác là sự kết hợp của biến dung, diode biến dung và sự thay đổi cơ cấu vật lý để vượt qua những khó khăn trong việc sử dụng bộ chuyển mạch và điều khiển chúng

Mục đích của luận văn là tìm hiểu về công nghệ chế tạo anten tự cấu hình từ

đó đề xuất thiết kế mô phỏng và chế tạo thử nghiệm anen vi dải tự cấu hình Trong luận văn này tập trung vào nghiên cứu thiết kế anten tự cấu hình theo tần số với công nghệ vi dải sử dụng kỹ thuật chuyển mạch bằng PIN diode và diode biến dung Luận văn được trình bày thành ba chương, chương một giới thiệu lý thuyết về anten

vi dải, chương thứ 2 là giới thiệu tổng quan về anten tự cấu hình và các bộ chuyển mạch được sử dụng, chương cuối cùng là phần thiết kế mô phỏng và chế tạo thử nghiệm hai mẫu anten tự cấu hình (anten monopole-C và PIFA) sử dụng hai bộ chuyển mach khác nhau (PIN diode và diode biến dung) Kết quả mô phỏng cho

thấy hai mẫu anten này có thể được sử dụng trong nhiểu ứng dụng khác nhau như: GPS, GSM1800, WiMax, UTMS, WLAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 Giới thiệu về anten vi dải

Khái niệm về anten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu tiên được đề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20 năm sau người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế Trong suốt những năm 1970, sự phát triển được tăng tốc bởi sự sẵn có của các vật liệu nền có đặc tính tốt, bởi các mô hình lý thuyết tốt hơn và kĩ thuật chế tạo được cải tiến Những anten vi dải đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson Từ sau đó các nghiên cứu và phát triển mở rộng của các anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi thế của chúng như là kích thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp v.v, đã làm đa dạng hóa các ứng dụng của chúng

1.2 Các ưu điểm và hạn chế của anten vi dải

Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten truyền thống Sau đây là các

ưu điểm chính của anten vi dải so với anten truyền thống:

 Kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay

 Giá thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in

 Dễ dàng tích hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm điện môi

 Có đặc tính linh động: khi hình dạng của tấm bức xạ và các thông số khác (kích thước, chất liệu điện môi…) được chọn khác nhau thì dẫn tới các đặc tính đặc trưng cho anten như tần số cộng hưởng, sự phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông …cũng thay đổi mạnh Điều này dẫn tới anten vi dải có thể thích hợp với nhiều ứng dụng khác nhau

 Khả năng tạo ra phân cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện, hình dạng của anten

 Các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể chế tạo đồng thời với cấu trúc anten

 Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế:

 Băng hẹp

 Khó có thể đạt được sự phân cực thuần

 Sự bức xạ do các mối nối và tiếp điện

 Kích thích sóng bề mặt

Các anten vi dải có hệ số phẩm chất Q rất cao Q thể hiện cho sự tổn hao liên quan đến anten, Q lớn dẫn đến băng thông hẹp và hiệu suất thấp Q có thể giảm bởi việc tăng chiều dày của tấm điện môi Nhưng khi chiều dày tăng, tăng một phần công suất tổng được cung cấp bởi nguồn đi vào trong sóng bề mặt Sự đóng góp sóng bề mặt này có thể được tính như một sự tổn hao công suất không mong muốn,

và là nguyên nhân gây nên suy giảm các đặc tính của anten Tuy nhiên, các sóng bề mặt có thể nhỏ nhất bởi việc sử dụng các cấu trúc photonic bandgap Các vấn đề khác như độ tăng ích thấp và khả năng điều khiển công suất thấp có thể khắc phục bởi việc sử dụng cấu hình mảng cho các phần tử

1.3 Cấu trúc cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng vá bức xạ nhỏ (hay còn gọi là tấm bức xạ) nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và mặt phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L Giống như nguyên tắc bức xạ của anten nửa sóng, độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe/2 ở đây λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi Hình 1.1 mô tả một anten vi dải có tấm bức xạ hình chữ nhật và tiếp điện bằng đường vi dải

1 2

W h

 (1.4) Khi đó, chiều dài thực của miếng vá patch sẽ là:

LLeff  2 L (1.5)

Có nhiều loại tấm điện môi có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số điện môi của chúng thường trong dải 2.2 ≤ 12 Với việc sử dụng tấm điện môi dày, hằng số điện môi thấp sẽ cho anten có đặc tính tốt với hiệu suất bức

xạ tốt, băng thông rộng hơn, tuy nhiên sẽ làm tăng kích thước của anten Với việc

sử dụng tấm điện môi có hằng số điện môi cao hơn sẽ làm giảm kích thước của anten tuy nhiên sẽ có suy hao lớn hơn, và hiệu suất bức xạ nhỏ hơn, băng thông nhỏ hơn

1.4 Cơ chế bức xạ của anten vi dải

Sự bức xạ của anten vi dải được xác định bởi sự phân bố trường giữa miếng

vá kim loại (patch) và mặt phẳng đất Điều này cũng có thể được mô tả như sự phân

bố dòng điện trên bề mặt miếng vá kim loại Khi miếng vá kim loại được tiếp điện,

sẽ có sự phân bố điện tích lên mặt trên và mặt dưới của miếng vá kim loại và mặt phẳng đất Sự phân bố điện trường của từ trường ngang mode TM10 của các anten

vi dải hình chữ nhật được chỉ ra trong hình 1.2

Hình 1.2 Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải [1]

Lực đẩy của các điện tích ở bề mặt dưới của tấm vá kim loại đẩy một vài điện tích xung quanh ở phía cạnh lên mặt trên của tấm vá kim loại, và do đó gây ra mật độ dòng điện Jb và Js Tỉ số h/W rất nhỏ, do đó lực hút mạnh mẽ giữa các điện tích trái dấu sẽ gây ra hầu hết sự tập trung điện tích và dòng điện ở phía dưới tấm vá kim loại Nhưng lực đẩy giữa các điện tích dương tạo mật độ điện tích lớn xung quanh các mép biên Các trường biên được tạo bởi các điện tích này chịu trách

nhiệm bức xạ năng lượng ra không gian Hình 1.3 biểu diễn các trường biên trong anten vi dải

Hình 1.3 Minh họa trường biên của anten vi dải hình chữ nhật [1]

Điện trường hầu như không đổi dọc theo chiều rộng W và đảo pha dọc theo chiều dài L của miếng vá Anten vi dải hình chữ nhật có thể được coi như có hai khe bức xạ song song cách nhau bởi chiều dài L, thông thường L bằng nửa bước sóng Tổng các trường biên từ hai khe triệt tiêu lẫn nhau dọc theo biên của anten vi dải nửa bước sóng khi chúng có cùng biên độ và lệch pha 180 độ

1.5 Các phương pháp tiếp điện

Phương pháp tiếp điện cho anten vi dải rất đa dạng Anten vi dải có thể được tiếp điện trực tiếp bằng đầu dò đồng trục hoặc bằng đường vi dải Nó cũng có thể được tiếp điện gián tiếp bằng việc sử dụng ghép nối điện từ trường, hoặc ghép nối qua khe, hoặc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng, theo cách tiếp điện này không có sự tiếp xúc kim loại trực tiếp giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ Kĩ thuật tiếp điện ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào và đặc tính của anten, và nó cũng là một thông số thiết kế quan trọng

1.5.1 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục

Đầu nối đồng trục được hàn vào phiến kim loại như hình dưới và đục xuyên qua lớp điện môi, đầu ra ở mặt kia của lớp điện môi, tức tấm bức xạ và được cắm vào một connector thường có trở kháng 50 ohm.Ưu điểm của phương pháp này là đầu dò có thể đặt ở bất kì vị trí nào trong vùng diện tích của phiến kim loại bức xạ

và do đó dễ dàng điều chỉnh trở kháng vào của anten Nhược điểm là cần phải đục

lỗ qua đế điện môi, mặt khác phần mối nối sẽ trồi lên tấm bức xạ và làm mất tính phẳng của tấm bức xạ (ảnh hướng nhiều tới sự bức xạ, khó phân tích và đưa ra lời

giải cho mô hình bức xạ chính xác vì nó làm điều kiện biên trở nên rất phức tạp) Đồng thời, vị trí bất kì của đầu nối đồng trục (để đạt được trở kháng vào mong muốn) cũng làm mất tính đối xứng của antenna và do đó làm mất đi tính đối xứng của đồ thị phương hướng

Hình 1.4 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục [1]

1.5.2 Tiếp điện bằng đường vi dải

Thuận lợi của phương pháp này là đường vi dải có thể được khắc lên cùng một tấm điện môi với tấm bức xạ do đó vẫn giữ được cấu trúc phẳng của anten Nhược điểm của phương pháp này là bức xạ từ đường tiếp điện làm ảnh hưởng tới trường bức xạ của anten, đặc biệt là khi kích thước của đường tiếp điện là lớn so với kích thước của tấm bức xạ

Hình 1.5 Tiếp điện bằng đường vi dải [1]

Từ bề dày và hằng số điện môi của tấm nền và độ rộng của đường vi dải ta

11.393 0.667 ln( 1.444

1.5.3 Ghép nối điện từ

Trong phương pháp này, đường tiếp điện vi dải nằm ở giữa phiến kim loại bức xạ và tấm bức xạ Ngăn cách giữa đường tiếp điện và hai thành phần nói trên là

hai tấm điện môi có thể có hằng số điện môi khác nhau: một cho phiến kim loại và một cho đường tiếp điện vi dải; hai tấm điện môi này có thể được chọn để nâng cao hiệu năng cho từng thành phần (tấm hoặc đường tiếp điện) và từ đó nâng cao hiệu năng cho toàn bộ anten Nhược điểm của phương pháp này là hai lớp cần được bố trí hợp lý (ví dụ, đường tiếp điện cần nằm giữa tấm bức xạ để tạo nên đồ thị phương hướng đối xứng) và do có hai lớp nên độ dày của anten tăng lên Phương pháp tiếp điện này được thể hiện ở hình sau:

Hình 1.6 Tiếp điện bằng ghép nối gần [2]

1.5.4 Ghép nối qua khe

Một phương pháp tiếp điện gián tiếp khác là sử dụng ghép nối khe Trong phương pháp này, trường được ghép cặp từ đường tiếp điện vi dải đến tấm bức xạ thông qua một khe nhỏ bị cắt trong mặt phẳng đất, như hình 1.7 Khe ghép thường nằm ở trung tâm phía dưới tấm bức xạ làm giảm phân cực ngang do tính đối xứng Hình dạng, kích thước, vị trí của khe quyết định lượng kết nối từ đường tiếp điện vi dải đến tấm bức xạ Khe kết nối thường đủ nhỏ, làm tăng băng thông, đồng thời cũng giảm sự bức xạ ra phía sau Các tham số của hai tấm nền có thể được chọn riêng rẽ để tối ưu hiệu suất của anten

Hình 1.7 Ghép nối qua khe [3]

( )( r 1) / 2

K k Z

( )( 1) ( ')

1

r re

0 ' 0

5

0

0 0 6

0

r r

1.6 Các loại anten vi dải thông dụng

1.6.1 Anten vi dải dạng tấm ( Microstrip Patch Antenna)

Anten vi dải dạng tấm gồm có tấm dẫn điện trên một tấm điện môi Tấm dẫn điện có thể nhiều hình dạng khác nhau Hình sau mô tả một số dạng đơn giản của anten vi dải dạng tấm

Hình 1.10 Một số hình dạng của phiến kim loại [1]

1.6.2 Anten lƣỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna)

Anten lưỡng cực vi dải gồm có các tấm dẫn điện giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten lưỡng cực vi dải gồm có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi

Hình 1.11 Cấu trúc anten dipole mạch dải [4]

1.6.3 Anten khe vi dải (Print Slot Antenna)

Anten khe vi dải gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất Khe có thể có bất cứ hình dạng nào giống như của anten dạng tấm

Hình 1.12 Các dạng cơ bản của anten khe vi dải [4]

1.6.4 Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna)

Hình 1.13 Các dạng cơ bản của anten vi dải sóng chạy [4]

1.6.5 Anten vi dải đơn cực (Printed Monopoles Antenna)

Anten đơn cực có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, điều này chủ yếu được xây dựng bởi cánh tay dẫn điện đơn giản chiều dài L nằm trên mặt phẳng dẫn điện

Để hiểu về anten đơn cực, đầu tiên chúng ta sẽ xem lại các khái niệm cơ bản của anten lưỡng cực (dipole), đặc biệt dipole có

Theo [1], công suất bức xạ có thể được tính toán theo phương trình (1.36) mà

có thể thu được từ mật độ công suất của anten

2 0

ln 2 (2 )8

Trong đó, I0 là dòng nguồn, C là hằng số không đổi C=0.5772, η là hiệu suất,

và có thể thu được từ phương trình (1.37):

cos ( ) x

Z   j , do đó để ước lượng phần ảo của trở kháng (điện kháng X), dipole

bị ngắt mạch, vì vậy sự cổng hưởng đầu tiên thu được với dipole có L0.47 đến 0.48

L  Điện trở bức xạ thu được từ biểu thức (1.40):

2 0

kháng đầu vào của anten đơn cực bằng một nửa trở kháng đầu vào của anten lưỡng cực

2

dipole

monopole KL

KL G

11.14 , 2 0.06366

in in in

Trong khi trở kháng đầu vào của anten đơn cực bằng một nửa giá trị đó

Ví dụ, để tính toán chiều dài của anten đơn cực với trở kháng đặc tính 50Ω, tần số cộng hưởng 1GHz, và xem xét không khí như môi trường, với / 4 L / 2 ta tính được G và L như sau:

2.5 1.7512.35

in monopole

Hình 1.14 Mô hình anten đơn cực vi dải đơn giản [5]

Hình 1.15 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ L [5]

Hình 1.16 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ C [5]

(b) Loại dài

1.6.6 Anten phẳng PIFA (Planar Inverted F Antenna)

Anten IFA (Inverted F Antenna) điển hình bao gồm một phần tử phẳng hình chữ nhật được định vị trên một mặt phẳng đất, một tấm ngắn mạch hoặc pin ngắn mạch, và một cơ chế tiếp điện cho phần tử phẳng (Planar element)

Anten IFA là một biến thể của Anten monopole, ở đó phần phía trên đã được gập xuống để song song với mặt phẳng đất Việc này được thực hiện để giảm chiều cao của anten, trong khi vẫn duy trì được chiều dài cộng hưởng Phần song song này làm xuất hiện điện dung tới trở kháng đầu vào của anten, mà có thể được bù bằng cách sử dụng chôt ngắn mạch Một đầu của chốt này được nối đến mặt phẳng đất thông qua lỗ via

Mặt phẳng đất của anten đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của anten

Sự kích thích dòng điện trong anten IFA gây ra sự kích thích dòng điện trong mặt phẳng đất Kết quả, trường điện từ được hình thành bởi sự tương tác giữa IFA và ảnh của chính nó dưới mặt phẳng đất Hành vi của nó như một bộ phản xạ năng lượng hoàn hảo bền vững chỉ khi kích thước mặt phẳng đất là vô hạn hoặc rất lớn so với chính monopole Trong thực tế, các lớp kim loại có kích thước tương đương với monopole và hoạt động như một phần của anten dipole

Hình 1.17 Anten IFA [6]

PIFA coi như là một loại của anten IFA với phần tử bức xạ dây kim loại được thay thế bằng một mặt phẳng để mở rộng băng thông Một số ưu điểm của PIFA là:

 Có thể sử dụng rộng rãi trong các hệ thống di động, đặc biệt là trong thiết bị

di động cầm tay, chúng có thể được gắn bên trong các thiết bị này

 PIFA làm giảm bức xạ ngược ở phía đầu người dung, giảm thiểu sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ (SAR) và nâng cao hiệu suất anten

 Đạt được hệ số khuếch đại cao trong cả phân cực đứng và phân cực ngang Đặc tính này rất hữu ích trong các hệ thống không dây ở đó hướng của anten được cố định và các phản xạ có mặt từ các góc khác nhau của môi trường Trong những trường hợp này, tham số quan trọng cần được xem xét là trường tổng là vector tổng của các trạng thái phân cực ngang và phân cực đứng

Đặc tính băng thông hẹp của PIFA là một trong những hạn chế đối với ứng dụng thương mại cho thiết bị di động không dây Chốt ngắn mạch gần điểm đầu dò tiếp điện của các loại PIFA thông thường là phương pháp tốt để giảm kích thước anten, nhưng kết quả là băng thông trở kháng hẹp

Các kỹ thuật để tăng băng thông PIFA:

 Băng thông bị ảnh hưởng rất nhiều bởi kích thước mặt phẳng đất Bằng cách thay đổi kích thước của mặt phẳng đất, băng thông của PIFA có thể được điều chỉnh

 Sử dụng tấm điện môi dày để làm giảm hệ số chất lượng cấu trúc Q và tăng băng thông

 Sử dụng phần tử cộng hưởng ký sinh với chiều dài cộng hưởng gần với tần số cộng hưởng chính

 Điều chỉnh vị trí và khoảng cách giữa hai chốt ngắn mạch

 Sử dụng nhiều phần tử xếp chồng nó sẽ tăng băng thông

Các kích thước của PIFA:

Hình 1.18 Anten PIFA [6]

Một phương pháp làm giảm kích thước anten PIFA chỉ đơn giản bằng cách

co ngắn anten Tuy nhiên, phương pháp này ảnh hưởng đến trở kháng tại các thiết bị đầu cuối anten như vậy điện trở bức xạ trở thành phản tác dụng Điều này có thể được bù với điện dung ở đầu tải (top loading) Trong thực tế, việc khuyết chiều cao của anten được thay thế bằng một mạch tương đương, mà cải thiện được sự phối hợp trở kháng và hiệu suất anten

Các tải điện dung làm giảm chiều dài cộng hưởng từ / 4 đến nhỏ hơn / 8phải trả giá băng thông và phối hợp trở kháng tốt Tải điện dung có thể được sinh ra bởi cộng thêm một tấm phẳng (song song với mặt phẳng đất) để tạo ra một tụ bản song song

Chiều rộng của tấm ngắn mạch của PIFA đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tần số cộng hưởng Tần số cộng hưởng giảm với việc giảm độ rộng của tấm ngắn mạch W

Không giống với các anten vi dải thông thường được làm bằng một nửa bước sóng, PIFA được làm thực hiện chỉ với một phần tư bước sóng

Phân tích tần số cộng hưởng và đặc tính băng thông của anten có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách xác định vị trí của điểm tiếp điện, mà hệ số phản xạ nhỏ nhất có thể thu được

Phối hợp trở kháng của PIFA có thể thu được bằng việc điều chỉnh vị trí của điểm tiếp điện và chốt ngắn mạch, và bằng cách tối ưu khoảng cách giữa các chốt ngắn mạch và điểm tiếp điện của anten

1.7 Kết luận

Trong chương này ta đã tìm hiểu tổng quan công nghệ chế tạo anten vi dải Khái niệm, phân loại cũng như một số nguyên lý cơ bản thiết kế anten vi dải đã được giới thiệu Ngoài ra, chương này cũng đã giới thiệu về một số mẫu anten vi dải thông dụng mà được ứng dụng trong các hệ thông thông tin vô tuyến Từ những mẫu anten thông dụng đó, trong chương này cũng đã đi sâu vào giới thiệu hai mẫu anten vi dải sẽ được sử dụng để thiết kế mô phỏng anten vi dải tự cấu hình theo tần

số mà sẽ được trình bày trong chương 3 đó là mẫu anten monopole-C và PIFA

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ANTEN TỰ CẤU HÌNH

2.1 Giới thiệu chung về anten tự cấu hình

Có rất nhiều loại anten được phát triển trong những năm gần đây, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm phù hợp với mỗi loại ứng dụng khác nhau Khi xem xét một ứng dụng cụ thể, việc lựa chọn anten phải được xem xét cận thận, bởi các đặc tính của anten là cố định

Mặc dù các anten đa băng cố định có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều

hệ thống hoặc các thiết bị khác nhau, nhưng chúng thiếu sự linh hoạt để thích ứng với các dịch vụ mới so với các anten tự cấu hình Anten tự cấu hình có thể được xem như một phần tử chính trong các hệ thống thu phát thông tin không dây tương lai Ưu điểm của chúng là có khả năng hoạt động trong nhiều băng tần trong khi kích thước anten không đổi Các hệ thống thông tin liên lạc không dây hiện đại sử dụng anten tự cấu hình đang trở nên phố biến cho khả năng của chúng để đáp ứng nhiều tiêu chuẩn khác nhau Các thiết bị sử dụng một anten duy nhất với kích thước nhỏ gọn sẽ cho phép giảm kích thước của các thiết bị và có nhiều không gian hơn

để tích hợp các phần tử điện tử khác Trong những năm gần đây, các kỹ thuật anten

tự cấu hình khác nhau đã được đề xuất và nghiên cứu rông rãi

Vậy, thế nào là anten tự cấu hình? Anten tự cấu hình là cách gọi chung cho các anten có khả năng thay đổi các thuộc tính bức xạ, như đặc tính tần số, mẫu bức

xạ, băng thông trở kháng hoặc sự phân cực Anten tự cấu hình lần đầu được giới thiệu vào năm 1998, nó là sự mở rộng các khả năng của các anten thông thường bằng cách thay đổi cấu hình của chúng dựa theo yêu cầu Sự cấu hình lại của những anten như vậy đạt được nhờ sự phân bố lại có chủ ý của các dòng điện bề mặt, hoặc một cách tương đương, là phân bố lại trường điện từ trên bề mặt của anten Những phân bố lại này dẫn đến các thay đổi về trở kháng hoặc các thuộc tính bức xạ của anten

Sự tự cấu hình của anten có thể đạt được bằng nhiều kỹ thuật như: sử dụng các phần tử mạch, hay sự thay đổi cơ học của cấu trúc như là xoay hoặc uốn cong một hoặc nhiều phần của nó Tất cả các phương pháp như vậy đã đóng góp đáng kể

đến sự phát triển của anten tự cấu hình Hiện tại, các nhà thiết kế anten đã sử dụng các bộ chuyển mạch và các biến dung được điều khiển bằng điện để đạt được sự tự cấu hình Các bộ chuyển mạch PIN diode, diode biến dung và RF MEMS là một trong những thiết bị được sử dụng nhiều nhất

2.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình

Anten tự cấu hình được ứng dụng trong nhiều mảng đặc biệt khi mà nhiều thuộc tính bức xạ được yêu cầu từ một phẩn tử đơn nhất, cụ thể như:

 Vô tuyến nhận thức (cognitive radio)

 Trong các hệ thống truyền thông nhiều phát nhiều thu

 Hệ thống truyền thông cá nhân và tế bào

 Các ứng dụng quân sự

Ví dụ một anten tự cấu hình về tần số có thể dùng cho GSM, DCS, PCS, UMTS, Bluetooth và WLAN

2.3 Phân loại anten tự cấu hình

Các anten tự cấu hình có thể được phân ra làm 4 loại chính:

 Anten tự cấu hình về tần số

 Anten tự cấu hình về đồ thị bức xạ

 Anten tự cấu hình về phân cực

 Và loại anten kết hợp các chức năng trên

Các anten tự cấu hình cũng có thể được phân thành nhóm dựa vào kĩ thuật thực hiện:

 Nhóm 1: Nhóm anten sử dụng các bộ chuyển mạch

 Nhóm 2: Nhóm anten sử dụng tụ điện, và diode biến dung

 Nhóm 3: Nhóm anten sử dụng sự thay đổi góc vật lý

 Nhóm 4: Nhóm anten sử dụng mạch tiếp điện cấu hình lại được

2.3.1 Khả năng tự cấu hình về tần số

Loại thứ nhất này dựa vào khả năng tự cấu hình tần số Mục đích là để điều chỉnh hoặc dịch chuyển tần số hoạt của anten và để có một anten đa chức năng duy nhất trong một thiết bị đầu cuối nhỏ cho nhiều ứng dụng Hình dạng các đồ thị bức

xạ của các anten không thay đổi khi tần số được điều chỉnh hoặc chuyển từ băng tần

số này sang băng tần số khác Các anten tự cấu hình tần số được chia làm 2 nhóm:

 Điều chỉnh liên tục (continuous tuning): điều này đạt được bởi việc sử dụng

các điốt biến dung nơi mà anten cho phép dịch chuyển trơn tru trong hoặc giữa các băng tần hoạt động mà không có các bước nhảy như trong [7]

 Điều chỉnh thô (coarse tuning): điều này có thể đạt được bằng việc sử dụng

PIN điốt chuyển mạch Điều chỉnh thô sử dụng các cơ chế chuyển mạch khác nhau để hoạt động ở nhiều băng tần Ví dụ như một anten có thể điều chỉnh rộng sử dụng PIN diode [8], chuyển đổi các vị trí tiếp điện khác nhau để cấu

hình lại tần số [9]

2.3.2 Khả năng tự cấu hình về đồ thị bức xạ

Loại thứ 2 này dựa vào khả năng tự cấu hình đồ thị bức xạ, ở đó băng tần không thay đổi trong khi đồ thị bức xạ thay đổi dựa vào các yêu cầu hệ thống Anten có thể điều khiển hướng bức xạ chính của nó trong các hướng khác nhau Loại anten này đã được nghiên cứu trong [10] bằng việc sử dụng anten tiếp điện CPW, [11] anten tự cấu hình kết hợp tự cấu hình về tần số và đồ thị bức xạ

2.3.3 Khả năng tự cấu hình phân cực

Loại thứ 3 này dựa vào khả năng tự cấu hình phân cực, ở đó phân cực được dịch chuyển từ tuyến tính thành tròn [11] và từ quay tròn trái thành quay tròn phải [12] Một anten vi dải tự cấu hình mới với cả hai phân tập tần số và phân cực đã được nghiên cứu trong [13]

2.4 Một số kỹ thuật chuyển mạch thông dụng

2.4.1 Bộ chuyển mạch PIN diode

Để sử dụng các PIN diode trong các anten thì các đặc tính điện của Điốt phải được chỉ ra đầu tiên Các PIN diode có các đặc tính hoạt động rất đặc biệt, do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống RF

PIN diode là thiết bị bán dẫn, được tạo thành nhờ ba lớp bán dẫn, trong đó có hai lớp P và N pha tạp mạnh, kẹp giữa một lớp bán dẫn tinh khiết I có độ dầy lớn hơn Do công nghệ chế tạo không thể chế tạo được lớp bán dẫn tinh khiết lý tưởng

vì thế miền I có thể là bán dẫn loại P pha tạp rất ít, hoặc miền I là bán dẫn loại N pha tạp ít Cấu tạo của PIN diode được thể hiện trong hình 2.1 Ký hiệu mạch điện của PIN diode được thể hiện như hình 2.2, trong đó cực P được gọi là cực Anode (cực dương), cực N được gọi là cực Cathode (cực âm)

Hình 2.1 PIN diode [14]

Hình 2.2 Ký hiệu mạch điện của PIN diode [14]

PIN diode hoạt động như một điện trở điều khiển dòng điện, biến thiến tại các tần số cao và các tần số sóng cực ngắn Nó có thể được sử dụng như một bộ chuyển mạch và bộ hạn chế Các PIN diode được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng mạch sóng cực ngắn do thời gian chuyển mạch rất nhanh và khả năng điều khiển dòng điện tương đối cao [15]

Hình 2.3 và hình 2.4 thể hiện sơ đồ mạch điện tương đương đơn giản của diode khi ở trạng thái ON (phân cực thuận) và OFF (phân cực ngược) Trong trạng thái ON, diode hoạt động giống như một điện trở mắc nối tiếp cuộn cảm Khi ở trạng thái OFF, điốt hoạt động giống như điện trở mắc song song với tụ điện, nối tiếp cuộn cảm

Hình 2.3 Điốt phân cực thuận (trạng thái ON) [14]

Hình 2.4 Điốt phân cực ngược (trạng thái OFF) [14]

2.4.2 Bộ chuyển mạch diode biến dung

Diode biến dung hay còn được gọi là Varicap là một linh kiện bán dẫn có điện dung thay đổi theo điện áp đặt vào mối nối p-n của nó Varicap được ứng dụng nhiều trong các bộ thu phát sóng VHF và UHF, dùng để thay đổi tần số trong các bộ cộng hưởng để lựa chọn các kênh sóng, để nhân và chia tần số, tự động kiểm soát tần số, điều chỉnh AM, FM hoặc sử dụng trong các máy đo tần số cao và các máy

đo cường độ trường Diode biến dung được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thông tin liên lạc khi cần đến sự điều chỉnh

Hình 2.5 Điốt biến dung/Điốt varicap [14]