Đây là bài báo cáo đã mô phỏng, anten pifa hoàn toàn thỏa mãn điều kiện Trong các thiết bị truyền thông không dây, anten là thành phần quan trọng không thể thiếu. Có rất nhiều loại hình anten trong truyền thông không dây nhưng nhiều năm qua anten PIFA (Planar Inverted F Antenna) đã chứng minh được đặc tính ưu việt của nó. Anten PIFA có hiệu suất sử dụng cao, kích thước nhỏ và trở thành ứng cử viên sáng giá nhất cho anten các thiết bị đầu cuối. Tuy nhiên anten PIFA cũng gặp những nhược điểm lớn như băng thông thấp, khó thiết kế anten đa băng và đặc biệt rất khó chế tạo trong điều kiện chế tạo ở Việt Nam. Vì vậy em chọn đề tài “Tìm hiểu và thiết kế anten PiFa ứng dụng cho tần số wifi 2.45 GHz” để làm bài tiểu luận báo cáo kết thúc học phần “Chuyên đề 2: Vô tuyến truyền thông”
MỤC LỤC I MỞ ĐẦU II NỘI DUNG Tổng quan anten PiFa .3 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu trúc .4 1.3 Nguyên lý hoạt động Anten PIFA đa băng 2.1 Anten PIFA đa băng sử dụng chẻ khe 2.2 Anten PIFA đa băng với nhánh riêng biệt 11 2.3 Anten PIFA đa băng với phần tử ký sinh 11 Thiết kế mô anten sử dụng phần mềm CST studio 12 3.1 Chuẩn wifi 802.11b 12 3.2 Thiết kế anten Pifa phần mền CST 13 III KẾT LUẬN .18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 I MỞ ĐẦU Trong thiết bị truyền thông không dây, anten thành phần quan trọng thiếu Có nhiều loại hình anten truyền thông không dây nhiều năm qua anten PIFA (Planar Inverted F Antenna) chứng minh đặc tính ưu việt Anten PIFA có hiệu suất sử dụng cao, kích thước nhỏ trở thành ứng cử viên sáng giá cho anten thiết bị đầu cuối Tuy nhiên anten PIFA gặp nhược điểm lớn băng thơng thấp, khó thiết kế anten đa băng đặc biệt khó chế tạo điều kiện chế tạo Việt Nam Vì em chọn đề tài “Tìm hiểu thiết kế anten PiFa ứng dụng cho tần số wifi 2.45 GHz” để làm tiểu luận báo cáo kết thúc học phần “Chuyên đề 2: Vô tuyến truyền thông” II NỘI DUNG Tổng quan anten PiFa 1.1 Khái niệm - Anten PIFA (Planar Inverted-F Antenna – anten phẳng hình F ngược) anten vi dải hình chữ nhật kết nối với mặt phẳng đất phiến mỏng gọi pin Anten tiếp điện cáp đồng trục tiếp điện tiếp điện vi dải Nó gọi anten hình F ngược hình chiếu cạnh anten cho Hình 1, với lớp điện mơi khơng khí có dạng hình chữ F úp mặt xuống nhằm làm giảm chiều cao anten Hình Anten Pifa - Sử dụng anten PIFA mang lại lợi ích khơng nhỏ cho hệ thống thu phát vơ tuyến: • Với kích thước nhỏ ngọn, anten PIFA dễ dàng đặt thiết bị có kích thước trung bình nhỏ • Gain theo hai hướng phân cực dọc ngang mức chấp nhận Điều hữu ích vài hệ thống thông tin, nơi mà định hướng anten phát không cố định phản xạ tán xạ sóng điện từ mơi trường vật lý • Gain xạ phía ngược lại so vưới đầu người sử dụng, giảm thiểu hấp thụ sóng điện từ người giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng giảm thiểu hấp thụ sóng điện từ dẫn đến nâng cao hiệu suất làm việc hệ thống • Hiệu cho thiết bị điện thoại di dộng Anten PIFA có nhiều ưu điểm phù hợp thiết bị di động có nhiều nhược điểm phải quan tân đến băng thơng hẹp, khó chế tạo điều kiện cơng nghệp chế tạo Việt Nam Nhưng tùy vào thiết bị, yêu cầu chất lượng anten mà ta cân hợp lý ưu, nhược điểm anten PIFA để cải thiện băng thơng anten PIFA sử dụng chất khác với số điện môi vật liệu thay đổi 1.2 Cấu trúc Thơng thường, patch xạ anten PIFA nằm phía mặt phẳng ground Cấu trúc đơn giản anten PIFA gồm patch mỏng, phẳng, phát xạ hình chữ nhật đặt chất điện mơi (khơng dẫn điện), cóhằng số điện mơi ε chiều cao h Miếng patch thành phần xạ chủ yếu anten Miếng patch ghim xuống mặt phẳng nối đất (Ground Plane) phiến mỏng có độ rộng W gọi Short plate (hay Pin) Feed plate dùng để tiếp điện cho anten Điểm khác biệt lớn anten PIFA anten patch thông thường xuất pin anten PIFA Pin thường làm vật liêu dẫn điện có dạng hình trụ dạng mỏng hình chữ nhật, có nhiệm vụ nối patch với mặt phẳng đất, giúp giảm nhỏ kích thước anten PIFA, vị trí pin, khoảng cách pin feed có ảnh hưởng định đến tần số cộng hưởng anten Hình Cấu trúc anten Pifa 1.3 Nguyên lý hoạt động Anten PIFA thường thiết kế để hoạt động với kích thước patch ¼ bước sóng cộng hưởng Hình Có đặc điểm có xuất pin nói phần trên, giúp giảm nhỏ kích thước anten ½ lần so với anten vi dải khác (thường cộng hưởng với kích thước patch ½ lần bước sóng hoạt động) Đối với anten PIFA, tần số cộng hưởng tỷ lệ thuận với tổng số chiều dài chiều rộng Như thể Hình 4, chiều rộng anten PIFA cộng với chiều dài khoảng phần tư bước sóng tần số cộng hưởng Thơng số quan trọng kiểm sốt băng thơng anten PIFA khoảng cách h patch mặt phẳng ground Hình Kích thước anten theo mặt cắt ngang Các thơng số quan trọng kiểm sốt băng thông anten PIFA khoảng cách h patch mặt phẳng ground Có nguyên tắc để thiết kế cho anten PIFA đơn băng: • Kích thước h tham số quan trọng mà định hiệu suất tổng thể anten Tuy nhiên, h có liên quan trực tiếp tới độ dày thiết bị, nhiệm vụ khó khăn để thoả mãn yêu cầu thiết kế khác • Bằng cách điều chỉnh tổng chiều dài L+W, tần số làm việc anten điều chỉnh Trong thực tế, L nên để tương đương PCBs với kết băng thơng rộng • Kích thước S tham số điều chỉnh, để tối ưu gắn kết anten Có thể sử dụng dải S lớn nhỏ để đặt phù hợp tương ứng Với S lớn tốt cho trình sản xuất, khả chịu đựng trình cố định gây sai số điện anten Hình Ước tính tần số cộng hưởng anten Anten PIFA đa băng Anten đa băng anten hoạt động nhiều tần số cộng hưởng, đảm bảo băng thông băng tần phải thuộc chuẩn dịch vụ Thông thường, sử dụng anten đơn băng loại dịch vụ phải yêu cầu anten riêng biệt Trong đó, thiết bị di động ngày nhỏ gọn với tích hợp nhiều chức dịch vụ khác Vì vậy, việc sử dụng anten đơn băng khơng khả thi hồn tồn bất lợi với xu hướng phát triển Khi đó, anten PIFA đa băng lựa chọn hồn tồn thích hợp, khơng đảm bảo kích thước nhỏ gọn thiết bị mà đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt với nhiều ứng dụng dịch vụ khác 2.1 Anten PIFA đa băng sử dụng chẻ khe 2.1.1 Nguyên lý chẻ khe Để thiết kế anten PIFA hoạt động đa băng sử dụng kỹ thuật khác kỹ thuật chẻ khe kỹ thuật coi tối ưu hiệu Trên anten PIFA chẻ khe thực chủ yếu mặt patch Tùy thuộc vào ứng dụng anten phục vụ định tới băng tần làm việc anten, yêu cầu băng tần tham số đầu vào q trình tính tốn, thực trẻ khe mặt patch anten PIFA Tương tự anten PIFA đơn băng, anten PIFA hai băng có Pin feed Patch xạ chữ nhật anten PIFA trẻ khe hình chữ L Khe có chiều dài C, cách cạnh bên khoảng D P Hình Các kích thước tính tốn từ tần số làm việc mong muốn anten Anten sau chẻ khe có kích thước tổng thể giữ ngun so với anten ban đầu đặc tính điện anten lại có thay đổi lớn so với anten ban đầu Hình Anten PIFA băng Sau chẻ khe, phân bố dòng điện anten PIFA bị thay đổi Hình Lúc anten khơng tồn dòng điện mà lúc tồn hai dòng điện xuất khe chẻ Hai dòng điện có chiều dài điện khác nên tạo hai tần số cộng hưởng cho anten, dòng điện có chiều dài điện dài tạo băng tần thấp dòng điện có chiều dài điện ngắn tạo băng tần cao cho anten Kích thước khe chiều dài điện băng tần hoạt động tính tốn kỹ lưỡng trình chẻ khe để tạo hai băng tần làm việc mong muốn, đáp ứng yêu cầu đề khước thiết kế Khi thay đổi kích thước khe đặc tính anten thay đổi theo: - Khoảng cách D ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng hai băng thay đổi giá trị D làm chiều dài điện tương ứng hai băng tần thay đổi Cụ thể, giảm D, đường phân bố hướng băng thấp ngắn làm tăng tần số cộng hưởng Trong đó, đường phân bố hướng băng cao tăng lên làm tần số cộng hưởng giảm xuống - Chiều dài khe C ảnh hưởng tới băng tần cao thay đổi giá trị C có chiều dài điện tương ứng băng tần cao thay đổi Cụ thể, tăng C làm giảm tần số cộng hưởng băng cao Hình Phân chia phần cho băng tần khác 2.2.2 Các loại hình chẻ khe Trên thực tế, có nhiều cách chẻ khe khác mang lại hiệu khác trình thiết kế nhiên chúng dựa nguyên lý chung trình bày Cũng giống trường hợp chẻ khe rãnh trên, chẻ khe kiểu Chip-indutctor loading Hình Folded slit Hình Hai thành phần tạo để cộng hưởng hai tần số khác Tuy nhiên, subpatch bé, tính từ điểm feed, mở rộng vào phần trung tâm, bị bao bọc phần subpatch lớn Do đó, subpatch bé (cộng hưởng tần số cao hơn) có ưu điểm việc giảm thiểu xạ ngược, dẫn đến giảm sóng điện từ hấp thu vào đầu người sử dụng Hình Chip-inductor loading Hình Folded slit Để tạo đa băng phương pháp chẻ khe, sử dụng rãnh chẻ phức tạp việc chẻ khe rãnh chữ U Chẻ khe hình chữ U bên miếng patch (Hình 9) phát triển từ hình thức chẻ khe bản, anten cộng hưởng hai tần số tương ứng với hai miếng patch có kích thước tương ứng (L1;W1) (L2;W2) Hình Chẻ khe chữ U patch Hình 10 Anten PIFA sử dụng chẻ khe phân nhánh Hình 11 Anten PIFA sử dụng gấp nếp miếng patch Sử dụng khe phân nhánh để làm tăng độ dài đường cộng hưởng: Thiết kế anten PIFA sử dụng chẻ khe phân nhánh mô tả Hình 10, nhánh (Main slit) với nhánh rẽ dài (Branch slit 1) thành phần chủyếu để uốn cong dòng điện mặt kích thích Mặt khác, nhánh rẽ ngắn (Branch slit 2) yếu tố để nâng cao phối hợp trở kháng, làm tăng băng thông.Chiều dài nhánh rẽ ngắ phải nhỏ nhiều chiều dài nhánh rẽ dài Điểm feed điểm pinphải đặt gần phải cạnh miếng patch gần nhánh rẽ ngắn Sử dụng gấp nếp miếng patch: Miếng Patch đặt lớp điện môi Hai rãnh cắt vào để tạo độ gấp khúc cho dòng điện mặt kích thích.Tổng độ dài hiệu dụng dòng điện mặtkích thích lớn nhiều so với chiều dài vật lý lớp điện mơi (Hình 11).Từ làm giảm u cầu chiều dài anten.Biến đổi tỉ số mặt cắt (L/W), tỉ lệ tần sốcủa hai tần số cộng hưởng mở rộng Ngoài có số phương pháp chẻ khe patch như: chẻ rãnh thẳng để làm miếng patch trở thành gấp khúc chẻ hình xoắn ốc với bề rộng khác tương tự Hình 12 Hình 13 Hình 12 Chẻ khe gấp khúc Patch Hình 13 Chẻ hình xoắn ốc patch 10 2.2 Anten PIFA đa băng với nhánh riêng biệt Hình 14 Anten PIFA sử dụng nhanh phân biệt Khi anten có kích thước lớn, cần sử dụng hai nhánh độc lập để tạo băng tần thấp băng tần cao riêng biệt để giảm thiểu kích thước anten, anten Hình 14a ví dụ Kích thước anten 60x25, kích thước ground 60x120 Các anten chia thành hai nhánh riêng biệt feed pin đặt lệch nhằm tạo hai tần số cộng hưởng cho anten Sự xếp thuận lợi cho việc điều chỉnh hoạt động băng tần thấp Khi thiết kế anten, bước điều chỉnh độ dài hai nhánh để có tần số cộng hưởng dự kiến Sau cách thay đổi khoảng cách feed pin, băng tần thấp điều chỉnh Bước cuối thiết kế mạch Hình 14b để có phối hợp trở kháng cho anten 2.3 Anten PIFA đa băng với phần tử ký sinh Hình 15 Anten PIFA sử dụng phần tử ký sinh Có nhiều cách để mở rộng băng thơng cho anten PIFA, bao gồm việc sử dụng khe với nhiều nhánh nhiều khe Thể Hình 11 15 PIFA với phần tử ký sinh Các phần tử ký sinh kết nối với ground qua dải kim loại Khơng có kết nối điện phần xạ phần xạ ký sinh Tuy nhiên, chúng kết nối điện từ với Như thể Hình 16 kết mơ anten PIFA sử dụng phần tử ký sinh.Tương tự anten PIFA bình thường, phần xạ tạo hai băng tần cộng hưởng Một dải phía dải băng tần cao Hình 16 Kết mô anten PIFA sử dụng phần tử ký sinh Trong thực tế, phần tử ký sinh thường sử dụng để điều chỉnh băng tần cao Khi tần số cao có nghĩa xạ phần tử ký sinh nhỏ hơn, điều làm cho thiết kế anten dễ dàng Một lý khác cho việc sử dụng phần tử ký sinh nhóm băng tần cao hiệu suất tổng anten Với tồn phần tử ký sinh, hiệu phần xạ suy giảm từ phần mười dB đến vài dB Bằng cách gán phần tần số cộng hưởng cao cho phần tử ký sinh, ảnh hưởng xấu tới băng tần thấp giảm Thiết kế mô anten sử dụng phần mềm CST studio 3.1 Chuẩn wifi 802.11b IEEE mở rộng chuẩn 802.11 gốc vào tháng Bảy năm 1999, tạo chuẩn 802.11b Chuẩn hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương đương với Ethernet truyền thống 12 802.11b sử dụng tần số tín hiệu vơ tuyến khơng kiểm soát (2.4 GHz) giống chuẩn ban đầu 802.11 Các nhà cung cấp thích sử dụng tần số để giảm chi phí sản xuất Các thiết bị 802.11b bị xuyên nhiễu từ thiết bị điện thoại khơng dây (kéo dài), lò vi sóng thiết bị khác sử dụng dải tần 2.4 GHz Mặc dù vậy, cách lắp thiết bị 802.11b cách xa thiết bị giảm tượng xuyên nhiễu + Ưu điểm 802.11b: Giá thành thấp nhất; phạm vi tín hiệu tốt không dễ bị cản trở + Nhược điểm 802.11b: Tốc độ tối đa thấp nhất; thiết bị gia dụng gây trở ngại cho tần số vô tuyến mà 802.11b bắt 3.2 Thiết kế anten Pifa phần mền CST 3.2.1 Công cụ mô CST CST STUDIO SUITE công cụ quen thuộc việc mô chế tạo thiết bị cao tần.CST STUDIO SUITE phần mềm hãng CST – Computer Simulation Technology,công ty chuyên giải pháp mô phỏngtrường điện từ dạng 3D nhằm nghiên cứu phát triền.Đây phần mềm sử dụng rộng rãi lĩnh vực mô chế tạo anten Hình 17 Giao diện cơng cụ CST STUDIO SUITE - CST STUDIO SUITE phần mềm mơ gồm có cơng cụ: 13 • CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) cơng cụ tiên tiến để mơ 3D nhanh xác thiết bị tần số cao dẫn đầu thị trường thời gian miền mơ Nó cho phép phân tích nhanh xác ăng-ten, lọc • CST EM STUDIO (CST EMS) công cụ dễ sử dụng cho việc thiết kế phân tích tần số tĩnh thấp EM ứng dụng động cơ, cảm biến, thiết bị truyền động, máy biến áp vỏ bọc che chắn • CST PARTICAL STUDIO (CST PS) phát triển cho mô hoàn toàn phù hợp hạt mang điện tự di chuyển Ứng dụng bao gồm súng điện tử, ống tia cathode, magnetrons • CST CABLE STUDIO (CST CS) dùng để mơ tồn vẹn tín hiệu EMC/ EMI phân tích khai thác truyền hình cáp • CST PCB STUDIO (CST PCBs) dùng để mơ tồn vẹn tín hiệu EMC/ EMI, EMI bo mạch in • CST MPHYSICS STUDIO (CST MPS) dùng để phân tích ứng suất nhiệt khí • CST DESIGN STUDIO (CST DS) công cụ linh hoạt tạo điều kiện cho 3D EM / mạch đồng mô tổng hợp Với mục địch thiết kế mẫu anten ứng dụng cho chuẩn wifi 2.4GHz báo cáo tập trung vào sử dụng thành phần CST MICROWAVE STUDIO Đây công cụ chuyên cho mô 3D EM thành phần tần số cao CST MWS cho phép phân tích nhanh xác thiết bị tần số cao như: Anten, lọc, ghép… CST MWS có giao diện đồ họa trực quan thân thiện Hình 3.2 Giao diện phần tử thiết kế kết mơ xếp dạng hình (Navigation Tree) giúp trình kiểm tra so sánh kết trực quan thuận tiện Với giao diện trực quan sinh động không gian 3D cho phép người sử dụng dễ dàng hình dung đối tượng mà người khác mơ Cách xây dựng đối tượng CST MICROWAVE STUDIO dựa việc xây dựng khối riêng biệt, đơn giản ghép khối lại khiến cho việc xây 14 dựng hình khối phức tạp trở nên dễ dàng nhiều Người sử dụng tự trải nghiệm phám phá đối tượng mà thân mong muốn thiết kế Hình 18 Giao diện bắt đầu làm việc CST STUDIO SUITE Bên cạnh với CST người sử dụng khơi phục lại trang thái trước theo thứ tự thiết kế thông qua tính History list Tính thực có ích người sử dụng khơng phải thiết kế lại tồn sau lần chạy mơ 3.2.2 Tính tốn thiết kế Hình 19 Cấu trúc chi tiết anten Pifa - Lựa chọn vật liệu: 15 Chọn chất điện mơi nhựa FR4 có độ dày 1.6mm số điện mơi 4.4 - Tính tốn kích thước anten: + Kích thước điện mơi: ta tùy chọn Chiều dài: Lg = 100 mm Chiều rộng: Wg = 40 mm Độ dày: t = 1.6 mm + Kích thước patch: Chiều dài: W c f eff 0.824.d( W 0.264) d ) W 0.258)( 0.8) d = 40 mm ( eff 0.3)( ( eff Chiều rộng: W f r 0 0 1 = 20 mm + Khoảng cách patch Ground: L+h –Ws=λ/4 -> h = 10 mm + Kích thước PIN: Chiều trộng: Ws1 = 13.72 mm Chiều dài: L = h = 10 mm + Độ dày vật liệu dẫn điện: S=0.5 mm 3.2.3 Tiến hành mô kết thu 16 - Thiết kế với thông số phần mềm CST - Tiến hành chạy mô ta thu kết sau: + Đồ thị suy hao phản hồi S11: Hình 20: Đồ thị S11 Quan sát hình 20 ta thấy bụng sóng đạt độ sâu -16.655 dB ứng với tần số trung tâm cần thiết kế 2.45 GHz Băng thông mà anten đạt xấp xỉ 300 MHz + Đồ thị xạ Hình 21 Dạng xạ anten Pifa Hình 22 Đồ thị polar Độ lợi mà anten đạt 4.17 dBi, dạng xạ anten chấp nhận 17 18 III KẾT LUẬN Bài tiểu luận trình bày tổng quan anten PiFa, lợi bất cập anten PiFa Việt Nam Đồng thời đưa phương pháp tính toán, thiết kế anten PiFa đơn băng ứng dụng cho Wifi 802.11b (2.45GHz), báo cáo dừng lại mức độ tìm hiểu bề mặt ứng dụng cho wifi Em hy vọng tiểu luận đóng góp để phát triển ứng dụng anten PiFa cho công nghệ 4.0 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO T Svantesson, “Correlation and channel capacity of MIMO systems employing multimode antennas,” IEEE Trans Veh Technol., vol 51, no 6, pp 1304–1312, Nov 2002 P S Kildal and K Rosengren, “Correlation and capacity of MIMO systems and mutual coupling, radiation efficiency, and diversity gain of their antennas: Simulations and measurements in a reverberation chamber,” IEEE Commun Mag., vol 42, no 12, pp 104–112, Dec 2004 P Mattheijssen, M Herben, G Dolmans, and L Leyten, “Antennapattern diversity versus space diversity for use at handhelds,” IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.53,no.4,pp.1035–1042,Jul.2004 M LeFevre, M A Jensen, and M D Rice, “Indoor measurement of handsetdual-antennadiversityperformance,”inProc.47thIEEEVeh Technol Conf., 1997, vol 3, pp 1763–1767 Y Chung, S.Jeon,D.Ahn,J Choi, and T.Itoh, “High isolation dualpolarized patch antenna using integrated defected ground structure,” IEEE Microw Wireless Compon Lett., vol 14, no 1, pp 4–6, Jan 2004 20 ... chọn đề tài Tìm hiểu thiết kế anten PiFa ứng dụng cho tần số wifi 2.45 GHz” để làm tiểu luận báo cáo kết thúc học phần “Chuyên đề 2: Vô tuyến truyền thông” II NỘI DUNG Tổng quan anten PiFa 1.1 Khái... nhận 17 18 III KẾT LUẬN Bài tiểu luận trình bày tổng quan anten PiFa, lợi bất cập anten PiFa Việt Nam Đồng thời đưa phương pháp tính tốn, thiết kế anten PiFa đơn băng ứng dụng cho Wifi 802.11b... trình cố định gây sai số điện anten Hình Ước tính tần số cộng hưởng anten Anten PIFA đa băng Anten đa băng anten hoạt động nhiều tần số cộng hưởng, đảm bảo băng thông băng tần phải thuộc chuẩn