Mô phỏng và đánh giá anten vi dải với cấu trúc DGS cho các thiết bị bluetooth năng lượng thấp

Bài báo sau đây trình bày ảnh hưởng của các dị tật nền trên một anten vi dãi hình chữ nhật lên một số thông số anten: Hệ số suy hao do phản xạ... Dùng phần mềm HFSS mô phỏng các thông số anten này với cấu trúc DGS đề nghị, kết quả cho thấy cải thiện đáng kể các thông số này.

18 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ANTEN VI DẢI VỚI CẤU TRÚC DGS CHO CÁC THIẾT BỊ BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP Simulate and Evaluate 2.4Ghz Microstrip Patch Antenna with Defected Ground Structure for Bluetooth Low Energy Lê Hữu Phúc1 Hồ Thiền Luân2 Tóm tắt Abstract Trong vài năm gần với tiến lãnh vực vi mạch siêu cao tần truyền thông không dây, nghiên cứu thiết kế anten vi dãi (MAs) đòi hỏi kích thước nhỏ hiệu suất cao Do đó, đời nhiều phương pháp cải tiến ăngten vi dãi, phương pháp thay đổi cấu trúc mặt phẳng nối đất (DGS.) Kỹ thuật đơn giản tạo dị tật ăngten vi dãi (MAs) Bài báo sau trình bày ảnh hưởng dị tật anten vi dãi hình chữ nhật lên số thông số anten: hệ số suy hao phản xạ Dùng phần mềm HFSS mô thông số anten với cấu trúc DGS đề nghị, kết cho thấy cải thiện đáng kể thông số With the advancement of microwave intergrated circuits and wireless telecommunicative technologies, the study and design of a new range of microstrip antennas (MAs) which requires compact size, high performance is increasingly being emphasized In recent years, there have been several new methods to improve microstrip circuits; one of which is used to modify the antenna ground plane in enhancing the performance of antenna This technique is simply to put a “defect” on the ground plane of MAs; it has opened the door for the next series of this application This paper is to present a simple rectangular microstrip patch antenna (R-MPA) and three other R-MPAs with three different samples of DGS, the proposed antenna has been simulated at 2.4 GHz frequency, used for bluetooth low energy devices The antenna is simulated by the software HFSS HFSS, high frequency structure simulator is employed to analyze the proposed antenna and simulated results on return loss The resultant antenna with Defected Ground Structure has improved in parameters performance Từ khóa: Bluetooth lượng thấp, anten vi dãi, cấu trúc mặt phẳng nối đất, phần mềm HFSS Key words: Bluetooth Low Energy, Microstrip Antenna, Defected Ground Structure, HFSS I Giới thiệu12 Công nghệ không dây đời phát triển mạnh mẽ, tạo nhiều thuận lợi cho người đời sống ngày Kỹ thuật không dây phục vụ nhiều nhu cầu khác người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến nhu cầu giải trí chơi game, xem phim, nghe nhạc,…Với nhu cầu đa dạng phức tạp đó, Viện Kỹ sư Điện Điện tử đưa IEEE 802.11, tập chuẩn khơng dây với đặc điểm kỹ thuật khác để phù hợp với nhu cầu, mục đích khả người sử dụng 2  Tiến sĩ, Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh Thạc sĩ, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng TP Hồ Chí Minh IrDA, WLAN, ZigBee, UWB, Bluetooth,… Mỗi chuẩn kỹ thuật có ưu, khuyết điểm riêng nó, Bluetooth dần lên kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm, thuận lợi cho thiết bị di động Với cải tiến Bluetooth V4.0 - Bluetooth lượng thấp (Bluetooth Low Energy - BLE) năm 2011, ứng dụng rộng rãi đặc biệt thiết bị yêu cầu hoạt động với thời gian lâu Tất nhiên, phần quan trọng việc giao tiếp sóng phần anten vi dải, phần đảm nhận nhiệm vụ thu/phát thiết bị Bluetooth lượng thấp phần tiêu tốn Số 16, tháng 12/2014 18 19 lượng nhiều thiết bị Bluetooth Trước có số báo đề cập đến mô anten vi dải cho thiết bị Bluetooth Với báo này, tập trung việc mô đánh giá anten vi dải cho thiết bị Bluetooth lượng thấp có kết hợp với cấu trúc dị tật mặt phẳng đất - Defected Ground Structure (DGS) DGS kỹ thuật sửa đổi lại mặt phẳng đất anten để nâng cao hiệu suất hoạt động anten Việc kết hợp DGS anten vi dải cải thiện hiệu suất hoạt động anten cải thiện suy hao phản xạ, tăng băng thông truyền, tăng độ lợi… Với báo này, tiến hành thiết kế mô anten vi dải hình chữ nhật thơng thường, anten vi dải có kết hợp mẫu dị tật mặt phẳng đất (Defected Ground Structure) Kết việc mô cho ta thấy ảnh hưởng DGS đến hiệu suất hoạt động anten vi dải II Phương pháp tạo dị tật mặt phẳng đất – Defected Ground Structure ứng dụng anten vi dải Phương pháp tạo dị tật mặt phẳng đất – Defected Ground Structure Như biết, dải tần anten vi dải vốn thường dải tần hẹp mở rộng tùy theo yêu cầu ứng dụng thực tế Anten vi dải có nhiều ưu điểm ứng dụng rộng rãi hệ thống thơng tin liên lạc, việc cải tiến chất lượng anten mở rộng băng thông, giảm thiểu kích thước, tăng độ lợi, giảm suy hao phản xạ,… luôn đặt lên hàng đầu Trong năm trở lại đây, có vài phương pháp để cải tiến mạch vi dải Một số kỹ thuật Defected Ground Structure (DGS), DGS kỹ thuật dùng để sửa đổi lại mặt phẳng đất anten để nâng cao hiệu suất hoạt động anten Kỹ thuật hiểu đơn giản đặt “dị tật” lên mặt phẳng đất anten vi dải, mở cánh cửa cho ứng dụng hàng loạt sau Rất nhiều nghiên cứu DGSs đề xuất DGSs trở thành mảng thú vị cho việc nghiên cứu ứng dụng mạch vi dải (Gary Breed 2008, tr.50) Hình 2.1 cho thấy số cấu trúc DGS sử dụng phổ biến Các mấu DGS có khác hình dạng, mạch tương đương L-C, hệ số ghép nối, đáp ứng tần số thơng Hình 2.1 Một số khn mẫu DGS số khác Mặc dù “dị tật” đặt thêm làm tính thống mặt phẳng đất, nhiên, chúng không làm mặt phẳng đất bị lỗi Người sử dụng phải chọn cho cấu trúc hiệu cho mạch vi dải Một khuôn mẫu DGS rãnh cộng hưởng mặt phẳng đất, đặt trực tiếp đường truyền vi dải ghép nối cách hiệu cho đường truyền vi dải Khuôn mẫu DGS kết hợp mặt phẳng đất làm thay đổi phân bố dòng lớp chắn điện, thay đổi phụ thuộc vào hình dạng kích thước DGS Sự thay đổi ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào dòng điện chảy anten Nó điều khiển kích thích sóng điện từ truyền qua lớp Khi sử dụng anten vi dải, suy hao luôn xảy q trình truyền tín hiệu Suy hao kích thích sóng bề mặt làm giảm hiệu suất sử dụng, độ lợi, băng thơng có sóng bề mặt xảy ra, sử dụng phần lượng dự trữ để truyền sóng khơng gian.Với anten khơng có cấu trúc DGS có băng thông hẹp, suy hao phản xạ cao, độ lợi thấp,… mặt khác anten kết hợp cấu trúc DGS hiệu cho băng thông cao hơn, giảm suy hao phản xạ,…(Rajeshwar Lal Dua, et al 2012, tr 263) Ứng dụng DGS thiết kế mạch vi dải DGS ứng dụng rộng rãi thiết bị thụ động tích cực, đặc biệt hữu ích cho thiết kế nhỏ gọn (anten vi dải ví dụ điển hình điều này) Nó dùng cho việc lọc tín hiệu khơng mong muốn, nâng cao chất lượng hệ thống (ví dụ anten vi dải có tác dụng cải thiện suy hao phản xạ tần số cộng hưởng, tăng băng thơng đường truyền…) Mỗi DGS có đặc tính riêng mình, tùy thuộc vào hình dạng, kích Số 16, tháng 12/2014 19 20 thước vị trí Nó dễ dàng thực cách đặt mẫu “dị tật” DGS mặt phẳng đất để làm tăng hiệu hoạt động mạch thiết kế mà khơng làm mạch phức tạp thêm Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu Defected Ground Structure tích hợp anten vi dải (Rajeshwar Lal Dua, et al 2012 ), (Z Atlasbaf, K Forooraghi and S.A Hosseini 2008) Khi sử dụng anten vi dải để truyền tín hiệu, sóng cần truyền di chuyển vào anten qua đường cấp nguồn lan rộng xuống phía Sau tiến sát đến cạnh anten, phần lượng phản xạ trở lại phần lại xạ không gian tự Năng lượng phản xạ trở lại lớn, tức suy hao phản xạ cao, dẫn đến hiệu suất anten thấp Với số anten vi dải khơng kết hợp DGS có băng thông thấp, suy hao phản xạ cao ngược lại anten vi dải có kết hợp DGS cho băng thông rộng suy hao phản xạ thấp Một khn mẫu DGS tích hợp mặt phẳng đất gây ảnh hưởng có lợi đến hiệu suất hoạt động anten giảm kích thước anten, giảm phân cực chéo, giảm suy hao khớp nối mảng anten, giúp cho việc ngăn chặn tín hiệu khơng mong muốn (như filter), cải thiện suy hao phản xạ, tăng băng thông truyền dẫn,… Bài báo sử dụng mẫu DGS DGS hình chữ nhật (Rectangular Defected Ground Structure - RDGS) để đặt lên mặt phẳng đất anten vi dải hình chữ nhật thơng thường (ba mẫu R-DGS với kích cỡ, vị trí đặt khác mặt phẳng đất) Thực mô phỏng, so sánh thông số hoạt động anten vi dải có kết hợp RDGS với anten vi dải ban đầu (khơng có kết hợp RDGS) Việc thực kết mô trình bày phần III III Thiết kế mô anten vi dải Bảng 3.1 Các thông số cho trước để thiết kế anten Tần số hoạt động Hằng số điện môi lớp điện môi ( ε r) Độ dày lớp điện môi (h) Phương thức cấp nguồn Phối hợp trở kháng 2.4 - 2.48 GHz 2.2 (Neltec NY9220) 1.6 mm Dùng đường truyền vi dải Inset feed line Dựa vào cơng thức tính tốn thông số anten vi dải sau: (3.1) Hằng số điện môi hiệu dụng anten vi dải (3.2) Chiều dài mở rộng miếng patch: (3.3) Chiều dài hiệu dụng patch: (3.4) Chiều dài thực L patch: (3.5) Để trở kháng ngõ vào anten 50 Ohm, điểm cấp tín hiệu cho anten lấn sâu vào với: anten khoảng (3.6) Thiết kế anten vi dải Ta đặt toán thiết kế sau: Thiết kế anten vi dải hình chữ nhật đồng, cấp nguồn đường truyền vi dải phối hợp trở kháng dùng phương pháp inset feed Bản kim loại hình chữ nhật chọn cấu trúc đơn giản dễ thiết kế Anten đặt tần số 2.4 – 2.48 (Tần số kết nối thiết bị Bluetooth lượng thấp ứng dụng rộng rãi theo chuẩn IEEE 802.11) Anten đặt lớp điện môi với độ dày h Những thông số thể rõ ràng qua Bảng 3.1 sau: Để phối hợp trở kháng với đường dải dẫn 50Ohm đường vi dải cấp tín hiệu cho anten vị trí cần có bề mặt với: (3.7) Số 16, tháng 12/2014 20 21 Bảng 3.2 Các thơng số anten vi dải thông thường hoạt động tần số 2.4 GHz Các thơng số tính tốn Kết Chiều rộng (W) 49.4106 (mm) Chiều dài (L) 41.3492 (mm) 244.7439 (Ohm) Điện trở đầu vào ( ) Điểm cấp nguồn (y0) Chiều rộng feedline ( ) 14.5018 (mm) 4.852 (mm) Để việc thiết kế anten vi dải dễ dàng, sử dụng chương trình tính tốn viết phần mềm matlab Chương trình viết tương đối đơn giản dựa công thức đưa phần Hình 3.1 đưa giao diện thực tính tốn tham số giao diện matlab Hình 3.3 Mơ cấu trúc chiều anten vi dải dùng chương trình Ansoft HFSS Hình 3.4 Đáp ứng tần số hệ số Return Loss Hình 3.1 Tính tốn thơng số anten giao diện mattab Sau tính tốn ta đưa hình dạng anten vi dải Hình 3.2 Hình 3.5 Đồ thị xạ 3D anten vi dải Hình 3.2 Hình dạng anten vi dải thiết kế Mô anten vi dải Dựa vào thơng số trình bày bảng 3.2, ta tiến hành vẽ cấu trúc chiều anten vi dải hình chữ nhật sử dụng chương trình Ansoft HFSS Hình 3.3 Hình 3.6 Đồ xạ 2D anten vi dải Số 16, tháng 12/2014 21 22 Sau mơ anten vi dải hình chữ nhật thông thường với tham số cho trước sử dụng phần mềm mô Ansoft HFSS, ta tiến hành kết hợp DGS mặt phẳng đất anten, thực mô để đánh giá ảnh hưởng DGS lên hiệu suất hoạt động anten (đánh giá theo kết theo tham số Return Loss, DGS ứng dụng báo có dạng hình chữ nhật (Rectangular Defected Ground Structure) Chúng ta tiến hành đặt khuôn mẫu DGS khác chạy dọc theo đường vi dải Hình 3.7 mơ tả cách đặt khn mẫu R-DGS mặt phẳng đất Hình 3.7 Các khn mẫu R-DGS đặt anten Hình 3.8 Mơ khn mẫu DGS dùng HFSS Hình 3.9 Đáp ứng tần số hệ số Return Loss với anten vi dải Số 16, tháng 12/2014 22 23 Hình 3.10 Đồ thị xạ 3D anten vi dải Hình 3.11 Đồ thị xạ 2D anten vi dải IV Kết luận Qua việc khảo sát anten vi dải hình chữ nhật thơng thường với anten vi dải khác có kết hợp mẫu DGS mặt phẳng đất Hình 3.7 Với kết suy hao phản xạ trình bày Hình 3.9, ta có: - Hai anten vi dải kết hợp với mẫu DGS mẫu DGS lại cho kết suy hao phản xạ tần số cộng hưởng 2.4GHz thấp anten vi dải bình thường: |RL(Anten - DGS1)| = 17dB, |RL(Anten DGS2)| = 21.5dB, |RL(Anten)| = 22.4dB - Với anten vi dải kết hợp mẫu DGS3 lại cho kết suy hao phản xạ cao hơn: |RL(Anten Số 16, tháng 12/2014 23 24 – DGS3)| = 27.4dB so với |RL(Anten)| = 22.4dB Qua kết ta thấy cải thiện hiệu suất anten kết hợp mẫu DGS mặt phẳng đất cao Chúng ta xét tới xạ anten thông qua đồ thị xạ 2D 3D thể Hình 3.10 Hình 3.11 ta có nhận xét: - Độ lợi hướng cực đại anten gần Độ lợi hướng cực đại anten vi dải thông thường: G0 = 7.7401 dB Trong đó, độ lợi hướng cực đại anten vi dải có kết hợp mẫu R-DGS là: GDGS1 = 7.741 dB, GDGS2 = 7.76542 dB GDGS1 = 7.6749 dB - Ta nhận thấy đồ thị xạ anten gần giống Hình 3.11 Như vậy, việc chèn thêm mẫu DGS mặt phẳng đất anten làm ảnh hưởng nhiều đến tham số Return Loss, đồ thị xạ khơng bị ảnh hưởng nhiều Tuy nhiên, việc đặt “dị tật” DGS đơi cho kết bất lợi, gây ảnh hưởng đến trở kháng tương đương đường truyền vi dải, xác nâng cao trở kháng tương đương đường truyền vi dải, việc thay đổi trở kháng tương đương ảnh hưởng đến phối hợp trở kháng đường truyền vi dải với kim loại anten Bài báo kết hợp mẫu DGS thứ mặt phẳng đất anten vi dải hình chữ nhật thiết kế Phần III.1 Hình 4.1 Kết hợp mẫu DGS4 anten vi dải Hình 4.2 Return Loss anten vi dải kết hợp mẫu DGS4 anten vi dải khơng kết hợp DGS Hình 4.3 Đồ thị xạ 3D anten với mẫu DGS Số 16, tháng 12/2014 24 25 Hình 4.4 Đồ thị xạ 2D anten vi dải Hình 4.2 cho ta thấy suy hao phản xạ anten vi dải kết hợp mẫu DGS (đường màu xanh) -10dB đáp ứng tần số điểm suy hao -10dB 2.15GHz Hình 4.3 Hình 4.4 cho ta thấy ảnh hưởng đến đồ thị xạ 2D 3D anten vi dải Độ lợi hướng cực đại 6.5002dB hình dạng đồ thị xạ khác với anten vi dải thông thường anten vi dải kết hợp với mẫu DGS Hình 3.7 Kết mô cho ta thấy ảnh hưởng không tốt DGS đến anten vi dải Vì việc đặt “dị tật” mặt phẳng đất anten vi dải phải tính tốn thật kĩ (cả kích thước lẫn vị trí đặt mặt phẳng đất anten vi dải) Chúng ta nên khảo sát phần mềm mô trước đưa vào mạch thực tế Tài liệu tham khảo Balanis, C.A 2006 Antenna Theory – Analysis and Design John Willey & Son, INC Breed, G 2008 “An Introduction to Defected Ground Structures in Microstrip Circuits”, High Frequency Electronics, Copyright © 2008 Summit Technical Media, LLC L H Weng, Y C Guo, X.W Shi , X Q Chen 2008 “An overview on defected ground structure“, Progress in electromagnetic Research (PIER) B, vol.7, pp.173-189 Mrabet, O.El 2006 “High Frequency Structure Simulator (HFSS) Tutorial”, Microwave and optical technology letters (MOTL), vol.23, no.2 Kilic, O 2010 “Defected Ground Structure and its applications to microwave devices and antenna feed networks” A graduation thesis, Middle East Technical University, Ankara, Turkey Phan, Anh 2007 Lý thuyết kỹ thuật ăngten Hà Nội: NXB Khoa học Kỹ thuật Rajeshwar Lal Dua, Himanshu Singh and Neha Gambhir 2012 “2.45 GHz Microstrip Patch Antenna with Defected Ground Structure for Bluetooth”, International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307, volume-1, issue-6 Pradhan, S., Noh, S.K., and Choi D.Y 2012 “Design of Inset Microstrip PatchAntenna forWireless Power Transmission at 2.45 GHz”, Journal of inofrmation and communication convergence engineering (JICCE) Steven, Jensen 2010 Microstrip Patch Antenna Northern Arizona University Vivekananda Lanka Subrahmanya 2009 The Rectangular Microstrip Patch Antenna University College of Boras, SE-501 90 Boras Vadym Samosuyev 2010 Bluetooth Low Energy Compared to zigbee and blutooh classic Mikkeli University, Information Technology Zalf Helge More 2010 “Bluetooth Low Energy: Wireless Connectivity for Medical Monitoring”, Journal of Diabetes Science and Technology, vol 4, issue 2, Diabetes Technology Society Atlasbaf, Z., Forooraghi, K and Hosseini, S.A 2008 “Two new loađe compact planar ultra-wideband antennas using Defected Ground Structure” Progress In Electromagnetics Research (PIER) B, vol 2, pp 165–176 Số 16, tháng 12/2014 25 ...19 lượng nhiều thiết bị Bluetooth Trước có số báo đề cập đến mơ anten vi dải cho thiết bị Bluetooth Với báo này, tập trung vi c mô đánh giá anten vi dải cho thiết bị Bluetooth lượng thấp có... xạ khác với anten vi dải thông thường anten vi dải kết hợp với mẫu DGS Hình 3.7 Kết mô cho ta thấy ảnh hưởng không tốt DGS đến anten vi dải Vì vi c đặt “dị tật” mặt phẳng đất anten vi dải phải... Thực mô phỏng, so sánh thông số hoạt động anten vi dải có kết hợp RDGS với anten vi dải ban đầu (khơng có kết hợp RDGS) Vi c thực kết mô trình bày phần III III Thiết kế mơ anten vi dải Bảng 3.1 Các