Tìm hiểu và thiết kế anten pifa ứng dụng cho tần số wifi chuẩn 802.11g

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 2

II NỘI DUNG 3

1 Tổng quan anten PiFa 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Cấu trúc 4

1.3 Nguyên lý hoạt động 4

2 Anten PIFA đa băng 6

2.1 Anten PIFA đa băng sử dụng chẻ khe 6

2.2 Anten PIFA đa băng với các nhánh riêng biệt 11

2.3 Anten PIFA đa băng với phần tử ký sinh 11

3 Thiết kế và mô phỏng anten sử dụng phần mềm CST studio 12

3.1 Chuẩn wifi 802.11b 12

3.2 Thiết kế anten Pifa trên phần mền CST 13

III KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

I MỞ ĐẦU

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”

II NỘI DUNG

1 Tổng quan anten PiFa

1.1 Khái niệm

- Anten PIFA (Planar Inverted-F Antenna – anten phẳng hình F ngược) là một anten vi dải hình chữ nhật được kết nối với mặt phẳng đất bởi một phiến mỏng được gọi là pin Anten được tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc tiếp điện bằng tiếp điện vi dải Nó được gọi là anten hình F ngược vì hình chiếu cạnh của anten được cho ở Hình 1, với lớp điện môi không khí nó có dạng như hình chữ F

úp mặt xuống nhằm làm giảm chiều cao của anten

Hình 1 Anten Pifa

- Sử dụng anten PIFA sẽ mang lại những lợi ích không nhỏ cho các hệ thống thu phát vô tuyến:

• Với kích thước nhỏ ngọn, anten PIFA dễ dàng được đặt trong các thiết bị

có kích thước trung bình và nhỏ

• Gain theo hai hướng phân cực dọc và ngang đều ở mức chấp nhận được Điều này hết sức hữu ích trong một vài hệ thống thông tin, nơi mà định hướng của anten phát là không cố định cũng như sự phản xạ và tán xạ của sóng điện từ trong môi trường vật lý

• Gain được bức xạ về phía ngược lại so vưới đầu người sử dụng, giảm thiểu sự hấp thụ sóng điện từ của con người giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng và giảm thiểu sự hấp thụ sóng điện từ dẫn đến nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống

• Hiệu quả cho các thiết bị điện thoại di dộng

Anten PIFA có nhiều ưu điểm phù hợp trong một thiết bị di động nhưng

nó cũng có khá nhiều nhược điểm phải quan tân đến đó là băng thông hẹp, khó chế tạo trong điều kiện công nghệp chế tạo tại Việt Nam Nhưng tùy vào thiết bị, yêu cầu chất lượng anten ra sao mà ta sẽ cân bằng hợp lý giữa những ưu, nhược điểm của anten PIFA để cải thiện băng thông anten PIFA có thể sử dụng một chất nền khác với hằng số điện môi của vật liệu thay đổi

1.2 Cấu trúc

Thông thường, patch bức xạ chính của anten PIFA đều nằm phía trên mặt phẳng ground Cấu trúc đơn giản của anten PIFA gồm một patch mỏng, phẳng, phát xạ hình chữ nhật đặt trên nền một chất điện môi (không dẫn điện), cóhằng

số điện môi ε và chiều cao h Miếng patch này là thành phần bức xạ chủ yếu của anten Miếng patch được ghim xuống một mặt phẳng nối đất (Ground Plane) bởi một phiến mỏng có độ rộng W được gọi là Short plate (hay Pin) Feed plate được dùng để tiếp điện cho anten

Điểm khác biệt lớn nhất giữa anten PIFA và anten patch thông thường là

sự xuất hiện của pin ở anten PIFA Pin thường được làm bằng vật liêu dẫn điện

có thể có dạng hình trụ hoặc dạng tấm mỏng hình chữ nhật, có nhiệm vụ nối patch với mặt phẳng đất, nó giúp giảm nhỏ kích thước của anten PIFA, vị trí của pin, khoảng cách giữa pin và feed đều có ảnh hưởng nhất định đến tần số cộng hưởng của anten

Hình 2 Cấu trúc anten Pifa

1.3 Nguyên lý hoạt động

Anten PIFA thường được thiết kế để hoạt động với kích thước patch bằng

¼ bước sóng cộng hưởng như Hình 3 Có được đặc điểm này là do có sự xuất hiện của pin như đã nói ở phần trên, giúp giảm nhỏ kích thước của anten đi ½ lần

so với các anten vi dải khác (thường cộng hưởng với kích thước patch bằng ½ lần bước sóng hoạt động)

Đối với một anten PIFA, tần số cộng hưởng là tỷ lệ thuận với tổng số chiều dài và chiều rộng Như thể hiện trong Hình 4, chiều rộng của một anten PIFA cộng với chiều dài của nó là khoảng phần tư của một bước sóng ở tần số cộng hưởng Thông số quan trọng kiểm soát băng thông của một anten PIFA là khoảng cách h giữa patch và mặt phẳng ground

Hình 3 Kích thước anten theo mặt cắt ngang

Các thông số quan trọng kiểm soát băng thông của một anten PIFA là khoảng cách h giữa patch và mặt phẳng ground

Có 3 nguyên tắc để thiết kế cho một anten PIFA đơn băng:

• Kích thước h là tham số quan trọng mà quyết định hiệu suất tổng thể của một anten Tuy nhiên, h có liên quan trực tiếp tới độ dày của thiết bị, nó là một nhiệm vụ rất khó khăn để thoả mãn các yêu cầu thiết kế khác

• Bằng cách điều chỉnh tổng chiều dài L+W, các tần số làm việc của anten

có thể được điều chỉnh Trong thực tế, L nên được để tương đương như PCBs với kết quả là một băng thông rộng

• Kích thước S là một tham số có thể điều chỉnh, để tối ưu sự gắn kết của anten Có thể sử dụng một dải S lớn hoặc nhỏ để đặt được sự phù hợp tương ứng

Với một S lớn hơn là tốt cho quá trình sản xuất, bởi vì khả năng chịu đựng quá trình cố định gây ra các sai số điện ít hơn trong các anten

Hình 4 Ước tính tần số cộng hưởng của anten

2 Anten PIFA đa băng

Anten đa băng là anten hoạt động tại nhiều tần số cộng hưởng, đảm bảo băng thông và băng tần phải thuộc một trong các chuẩn dịch vụ Thông thường, nếu chỉ sử dụng anten đơn băng thì mỗi loại dịch vụ phải yêu cầu một anten riêng biệt Trong khi đó, các thiết bị di động đang ngày càng nhỏ gọn cùng với đó là sự tích hợp của rất nhiều chức năng dịch vụ khác nhau Vì vậy, việc sử dụng anten đơn băng là không khả thi và hoàn toàn bất lợi với xu hướng phát triển Khi đó, anten PIFA đa băng là lựa chọn hoàn toàn thích hợp, không những đảm bảo kích thước nhỏ gọn của thiết bị mà còn đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt với nhiều các ứng dụng dịch vụ khác nhau

2.1 Anten PIFA đa băng sử dụng chẻ khe

2.1.1 Nguyên lý chẻ khe

Để thiết kế một anten PIFA hoạt động đa băng có thể sử dụng các kỹ thuật khác nhau nhưng kỹ thuật chẻ khe là kỹ thuật được coi là tối ưu và hiệu quả nhất Trên một anten PIFA chẻ khe được thực hiện chủ yếu trên mặt patch Tùy thuộc vào từng ứng dụng anten phục vụ sẽ quyết định tới băng tần làm việc của anten, yêu cầu về băng tần sẽ là tham số đầu vào của quá trình tính toán, thực hiện trẻ khe trên mặt patch của anten PIFA

Tương tự như anten PIFA đơn băng, một anten PIFA hai băng cũng có một Pin và feed Patch bức xạ chữ nhật của anten PIFA sẽ được trẻ khe hình chữ

L Khe có chiều dài là C, cách các cạnh bên một khoảng D và P như Hình 5 Các kích thước này sẽ được tính toán từ tần số làm việc mong muốn của anten Anten sau khi được chẻ khe có kích thước tổng thể giữ nguyên so với anten ban đầu nhưng các đặc tính về điện của anten này lại có những thay đổi lớn so với anten ban đầu

Hình 5 Anten PIFA 2 băng

Sau khi được chẻ khe, phân bố dòng điện trên anten PIFA sẽ bị thay đổi như Hình 6 Lúc này trên anten không chỉ tồn tại một dòng điện duy nhất mà cùng lúc tồn tại hai dòng điện do sự xuất hiện của khe được chẻ Hai dòng điện này có chiều dài điện khác nhau nên tạo ra hai tần số cộng hưởng cho anten, dòng điện có chiều dài điện dài hơn sẽ tạo ra băng tần thấp và dòng điện có chiều dài điện ngắn hơn sẽ tạo ra băng tần cao cho anten Kích thước các khe cũng như chiều dài điện của từng băng tần hoạt động sẽ được tính toán kỹ lưỡng trong quá trình chẻ khe để tạo ra hai băng tần làm việc mong muốn, đáp ứng được các yêu cầu đã đề ra khước khi thiết kế Khi thay đổi các kích thước của khe thì các đặc tính của anten cũng thay đổi theo:

- Khoảng cách D có thể ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng của cả hai băng

do khi thay đổi giá trị D làm chiều dài điện tương ứng của cả hai băng tần thay đổi Cụ thể, nếu giảm D, đường phân bố hướng của băng thấp ngắn hơn do đó làm tăng tần số cộng hưởng của nó Trong khi đó, đường phân bố hướng của băng cao sẽ tăng lên do đó làm tần số cộng hưởng giảm xuống

- Chiều dài của khe C chỉ ảnh hưởng tới băng tần cao hơn do khi thay đổi giá trị của C chỉ có chiều dài điện tương ứng của băng tần cao thay đổi Cụ thể, khi tăng C làm giảm tần số cộng hưởng của băng cao

Hình 6 Phân chia các phần cho các băng tần khác nhau 2.2.2 Các loại hình chẻ khe

Trên thực tế, có nhiều cách chẻ khe khác nhau mang lại những hiệu quả khác nhau trong quá trình thiết kế tuy nhiên chúng đều dựa trên nguyên lý chung

đã trình bày ở trên Cũng giống như trường hợp chẻ khe rãnh như trên, chẻ khe

kiểu Chip-indutctor loading như Hình 7 và Folded slit Hình 8 Hai thành phần

con được tạo ra để cộng hưởng ở hai tần số khác nhau Tuy nhiên, tấm subpatch

bé, tính từ điểm feed, mở rộng vào phần trung tâm, bị bao bọc bởi một phần của tấm subpatch lớn Do đó, tấm subpatch bé (cộng hưởng ở tần số cao hơn) sẽ có

ưu điểm trong việc giảm thiểu bức xạ ngược, dẫn đến giảm sóng điện từ hấp thu vào đầu của người sử dụng

Hình 7 Chip-inductor loading

Hình 8 Folded slit

Để tạo đa băng bằng phương pháp chẻ khe, có thể sử dụng rãnh chẻ phức tạp hơn bằng việc chẻ khe rãnh chữ U Chẻ khe hình chữ U bên trong miếng patch (Hình 9) được phát triển từ những hình thức chẻ khe cơ bản, khi đó anten

sẽ cộng hưởng tại hai tần số tương ứng với hai miếng patch có kích thước tương ứng (L1;W1) và (L2;W2)

Hình 9 Chẻ khe chữ U trên patch

Hình 10 Anten PIFA sử dụng chẻ khe phân nhánh

Hình 11 Anten PIFA sử dụng gấp nếp miếng patch

Sử dụng một khe phân nhánh để làm tăng độ dài của đường cộng hưởng: Thiết kế anten PIFA sử dụng chẻ khe phân nhánh mô tả như Hình 10, trong đó nhánh chính (Main slit) cùng với nhánh rẽ dài hơn (Branch slit 1) là thành phần chủyếu để uốn cong dòng điện mặt kích thích Mặt khác, nhánh rẽ ngắn (Branch slit 2) là yếu tố chính để nâng cao phối hợp trở kháng, làm tăng băng thông.Chiều dài của nhánh rẽ ngắ phải nhỏ hơn nhiều chiều dài của nhánh rẽ dài Điểm feed và điểm pinphải được đặt gần nhau và phải ở cạnh của miếng patch gần nhánh rẽ ngắn

Sử dụng gấp nếp miếng patch: Miếng Patch được đặt trên một lớp điện môi Hai rãnh được cắt vào để tạo độ gấp khúc cho dòng điện mặt kích thích.Tổng độ dài hiệu dụng của dòng điện mặtkích thích có thể lớn hơn rất nhiều

so với chiều dài vật lý của lớp điện môi (Hình 11).Từ đó làm giảm yêu cầu về chiều dài của anten.Biến đổi tỉ số mặt cắt (L/W), tỉ lệ tần sốcủa hai tần số cộng hưởng đầu tiên cũng sẽ được mở rộng hơn

Ngoài ra còn có một số phương pháp chẻ khe trên patch như: chẻ rãnh thẳng để làm miếng patch trở thành gấp khúc hoặc chẻ hình xoắn ốc với bề rộng khác nhau tương tự Hình 12 và Hình 13

Hình 12 Chẻ khe gấp khúc trên Patch

Hình 13 Chẻ hình xoắn ốc trên patch

2.2 Anten PIFA đa băng với các 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 và băng tần cao riêng biệt để giảm thiểu kích thước anten, anten trong Hình 14a là một ví dụ như vậy Kích thước của anten là 60x25mm2, kích thước của ground là 60x120mm2 Các anten được chia thành hai nhánh riêng biệt trong khi feed và pin được đặt lệch nhằm tạo ra hai tần số cộng hưởng cho anten Sự sắp xếp như vậy thuận lợi hơn cho việc điều chỉnh hoạt động của băng tần thấp hơn

Khi thiết kế một anten, bước đầu tiên là điều chỉnh độ dài của hai nhánh

để có được tần số cộng hưởng như dự kiến Sau đó bằng cách thay đổi khoảng cách giữa feed và pin, băng tần thấp hơn có thể được điều chỉnh Bước cuối cùng

là thiết kế mạch như Hình 14b để có phối hợp được 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 rất nhiều cách để mở rộng băng thông cho anten PIFA, trong đó bao gồm việc sử dụng một khe với nhiều nhánh hoặc nhiều khe Thể hiện trong Hình

15 là một PIFA với một phần tử ký sinh Các phần tử ký sinh được kết nối với ground qua một dải kim loại Không có bất kỳ kết nối điện nào giữa phần bức xạ chính và phần bức xạ ký sinh Tuy nhiên, chúng được kết nối điện từ với nhau

Như thể hiện trong Hình 16 là kết quả mô phỏng một anten PIFA sử dụng một phần tử ký sinh.Tương tự như một anten PIFA bình thường, phần bức xạ chính tạo ra hai băng tần cộng hưởng Một dải phía dưới và một dải ở băng tần cao hơn

Hình 16 Kết quả mô phỏng anten PIFA sử dụng phần tử ký sinh

Trong thực tế, các phần tử ký sinh thường được sử dụng để điều chỉnh băng tần cao nhất Khi tần số cao hơn có nghĩa là bức xạ của phần tử ký sinh nhỏ hơn, điều này làm cho thiết kế anten dễ dàng hơn Một lý do khác cho việc sử dụng các phần tử ký sinh ở nhóm băng tần cao hơn là hiệu suất tổng của anten Với sự tồn tại của phần tử ký sinh, hiệu quả của phần bức xạ chính có thể suy giảm từ một phần mười dB đến một vài dB Bằng cách gán một phần tần số cộng hưởng cao nhất cho phần tử ký sinh, ảnh hưởng xấu tới băng tần thấp hơn có thể được giảm đi

3 Thiết kế và mô phỏng anten sử dụng phần mềm CST studio

3.1 Chuẩn wifi 802.11b

IEEE đã mở rộng trên chuẩn 802.11 gốc vào tháng Bảy năm 1999, tạo ra chuẩn 802.11b Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương đương với Ethernet truyền thống

802.11b sử dụng tần số tín hiệu vô tuyến không được kiểm soát (2.4 GHz) giống như chuẩn ban đầu 802.11 Các nhà cung cấp thích sử dụng tần số này để giảm chi phí sản xuất Các thiết bị 802.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị điện thoại không dây (kéo dài), lò vi sóng hoặc các thiết bị khác sử dụng cùng dải tần 2.4 GHz Mặc dù vậy, bằng cách lắp các thiết bị 802.11b cách xa các thiết bị như vậy có thể giảm được hiện tượng xuyên nhiễu này

+ Ưu điểm của 802.11b: Giá thành thấp nhất; phạm vi tín hiệu tốt và không dễ bị cản trở

+ Nhược điểm của 802.11b: Tốc độ tối đa thấp nhất; các thiết bị gia dụng

có thể gây trở ngại cho tần số vô tuyến mà 802.11b bắt được

3.2 Thiết kế anten Pifa trên phần mền CST

3.2.1 Công cụ mô phỏng CST

CST STUDIO SUITE là một công cụ quen thuộc trong việc mô phỏng và chế tạo các thiết bị cao tần.CST STUDIO SUITE là phần mềm được hãng CST – Computer Simulation Technology,công ty chuyên về các giải pháp mô phỏngtrường điện từ dưới dạng 3D nhằm nghiên cứu và phát triền.Đây cũng là phần mềm được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng và chế tạo anten

Hình 17 Giao diện và các công cụ trong CST STUDIO SUITE

- CST STUDIO SUITE là một bộ phần mềm mô phỏng gồm có các công cụ:

• CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) là công cụ tiên tiến để mô phỏng 3D nhanh và chính xác của các thiết bị tần số cao và dẫn đầu thị trường trong thời gian miền mô phỏng Nó cho phép phân tích nhanh và chính xác của ăng-ten, bộ lọc

• CST EM STUDIO (CST EMS) là một công cụ dễ sử dụng cho việc thiết

kế và phân tích các tần số tĩnh và thấp EM ứng dụng như động cơ, cảm biến, thiết bị truyền động, máy biến áp và vỏ bọc che chắn

• CST PARTICAL STUDIO (CST PS) đã được phát triển cho mô phỏng hoàn toàn phù hợp của các hạt mang điện tự do di chuyển Ứng dụng bao gồm súng điện tử, ống tia cathode, magnetrons

• CST CABLE STUDIO (CST CS) dùng để mô phỏng toàn vẹn tín hiệu

và EMC/ EMI phân tích khai thác truyền hình cáp

• CST PCB STUDIO (CST PCBs) dùng để mô phỏng toàn vẹn tín hiệu và EMC/ EMI, EMI trên bo mạch in

• CST MPHYSICS STUDIO (CST MPS) dùng để phân tích ứng suất nhiệt

và cơ khí

• CST DESIGN STUDIO (CST DS) là một công cụ linh hoạt tạo điều kiện cho 3D EM / mạch đồng mô phỏng và tổng hợp