Phân tích thiết kế và chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thông tin vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - NGUYỄN VĂN NHUNG PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI THÔNG TIN VÔ TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM THÀNH CƠNG HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan viết luận văn tìm hiểu nghiên cứu thân Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác, có trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể Luận văn chưa bảo vệ Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sỹ chưa công bố phương tiện thơng tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Hà Nội, ngày 24 tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Nhung LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, khẩn trương với giúp đỡ hướng dẫn tận tình TS Phạm Thành Công với bảo thầy, cô Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn “Phân tích, thiết kế chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thông tin vô tuyến” hồn thành Tơi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Cơng trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học- Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện tốt cho nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn tiến độ, tập thể bạn bè đồng nghiệp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ công việc suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn Tuy nỗ lực phấn đấu, thời gian có hạn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp bạn đọc để luận văn hồn thiện Tơi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 24 tháng năm 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN 12 Giới thiệu sơ lược Anten 12 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Anten 12 1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 12 1.1.3 Vị trí Anten kỹ thuật vô tuyến điện 13 1.1.4 Những yêu cầu Anten 14 1.1.5 Các loại Anten 15 1.2 Lý thuyết Anten 16 1.2.1 Q trình xạ sóng điện từ 16 1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ 18 1.2.3 Dải tần dải tần công tác 23 1.2.3.1 Dải thông tần 23 1.2.3.2 Dải tần công tác 23 1.2.4 Hệ phương trình Maxwell 24 1.2.5 Các tham số Anten 29 1.2.5.1 Hệ số định hướng 29 1.2.5.2 Hệ số tăng ích 31 1.2.5.3 Băng thông 32 1.2.5.4 Phân cực 33 1.2.5.5 Trở kháng vào 37 1.2.5.6 Tỷ số sóng đứng điện áp 38 CHƯƠNG 2.1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN PIFA 39 Giới thiệu anten PIFA 39 2.1.1 Cấu tạo anten PIFA 39 2.1.2 Mơ hình điện 40 2.1.3 Ưu nhược điểm anten PIFA 40 2.1.4 Ứng dụng PIFA thực tế 41 2.2 Các thông số kỹ thuật anten PIFA 42 2.2.1 Tần số cộng hưởng 42 2.2.2 Băng thông 42 2.2.3 Đồ thị xạ 44 2.2.4 Độ rộng búp sóng 46 2.2.5 Hệ số phẩm chất Q 46 2.2.6 Hiệu suất xạ 47 2.3 Đường truyền vi dải 48 2.3.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 48 2.3.2 Cấu trúc trường đường truyền vi dải 48 2.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten PIFA 50 2.4.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải 50 2.4.2 Cấp nguồn probe đồng trục 51 2.4.3 Cấp nguồn phương pháp ghép khe 52 2.5 Tính tốn kích thước cho anten PIFA 53 2.6 Công nghệ đa băng cho anten PIFA 54 2.6.1 Sử dụng hai patch riêng rẽ 54 2.6.2 Cắt rãnh patch 55 2.6.2.1 Sử dụng rãnh L 55 2.6.2.2 Sử dụng rãnh chữ U 55 CHƯƠNG 3.1 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA 58 Thiết kế 58 3.2 Mô 60 3.2.1 Mơ hình anten PIFA HFSS 60 3.2.2 Kết mô 60 3.2.2.1 Tỉ số S11 60 3.2.2.2 Trở kháng 61 3.2.2.3 Đồ thị phương hướng 61 CHƯƠNG - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 CHƯƠNG - TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang MoM Moment of Method Phương pháp moment FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời gian hữu hạn AF Array Factor Hệ số mảng 2D Two Dimensional Hai chiều 3D Three Dimensional Ba chiều Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng Bandwidth Băng thông VSWR BW HFSS BW High Frequency Structure Simulator Bộ mô cấu trúc tần số cao Băng thơng Bandwidth DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin 12 Hình 1.2: Các loại anten 15 Hình 1.3: Hệ thống xạ 16 Hình 1.4: Ví dụ mạch dao động tập trung 17 Hình 1.5: Sự quay vector điện trường phân cực ellip 34 Hình 1.6: Phân cực ellip z = 34 Hình 2.1: Anten PIFA 39 Hình 2.2: Mô hình điện anten PIFA 40 Hình 2.3: Anten PIFA điện thoại di động 41 Hình 2.4: Cắt rãnh mặt phẳng ground 43 Hình 2.5: Ground hình L 44 Hình 2.6: Ground thường 44 Hình 2.7: Hệ tọa độ cho phân tích anten 45 Hình 2.8: Mô hình đường truyền vi dải 48 Hình 2.9: Giản đồ trường đường truyền vi dải 49 Hình 2.10: Cấp nguồn đường truyền vi dải 50 Hình 2.11: Cấp nguồn probe đồng trục 51 Hình 2.12: Cấp nguồn phương pháp ghép khe 52 Hình 2.13: Kích thước anten PIFA 53 Hình 2.14: Sử dụng hai miếng patch riêng rẽ 54 Hình 2.15: Sử dụng rãnh L patch 55 Hình 2.16: Sử dụng rãnh U patch 55 Hình 2.17: Sử dụng khe phân nhánh 56 Hình 2.18: Gấp nếp miếng Patch 56 Hình 3.1: Cấu trúc patch 59 Hình 3.2: Mô hình anten PIFA HFSS 60 Hình 3.3: Đáp ứng tần số tỉ số S11 60 Hình 3.4: Đồ thị trở kháng 61 Hình 3.5: Đồ thị phương hướng f = 900MHz 61 Hình 3.6: Đồ thị phương hướng f = 1800MHz 62 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần Việt Nam, với phát triển ngành công nghệ thông tin ngành điện tử viễn thông, nhiều công nghệ đời nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin người Truyền phát thông tin vô tuyến phương thức truyền phát nghiên cứu ứng dụng phổ biến đặc tính ưu việt riêng Với mục đích nắm bắt làm chủ cơng nghệ này, luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích mơ anten thu phát thiết bị đầu cuối, cụ thể luận văn tác giả vào thiết kế mô mẫu anten PIFA, ứng dụng cho hệ thống thu phát vô tuyến GSM Mục đích nghiên cứu  Phân tính, thuật tốn tham số anten  Thực mơ sử dụng phần mềm  Tối ưu hóa thiết kế dùng phần mềm  Chế tạo mẫu đo đạc thực Đối tượng nghiên cứu Một số tài liệu kỹ thuật phân tích thiết kế anten, kỹ thuật truyền phát thông tin vô tuyến Các viết báo công nghệ thu phát vô tuyến, cơng trình nghiên cứu đặc tính anten PIFA Kỹ thuật mô phỏng, ứng dụng công tác nghiên cứu chế tạo Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Tính thực tiễn đề tài: Trong thời gian gần nhu cầu thông tin vô tuyến phát triển nhanh hầu hết lĩnh vực từ thông tin vô tuyến thông tin di động, truy cập Internet không dây,… Mỗi thiết bị vơ tuyến cần phải có 10 2.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten PIFA Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Tuy nhiên, yếu tố quan trọng hiệu suất truyền lượng phần xạ phần cấp nguồn tức phải có phối hợp trở kháng hai phần với Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn cong,… làm phát sinh xạ rị suy hao sóng mặt Các xạ không mong muốn làm tăng xạ phụ đồ thị xạ anten PIFA Việc giảm thiểu xạ rò ảnh hưởng lên đồ thị xạ yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay khơng 2.4.1 Cấp ng̀n đường truyền vi dải Hình 2.10: Cấp nguồn đường truyền vi dải Việc kích thích cho anten PIFA đường truyền vi dải lớp cách lựa chọn tự nhiên patch xem đường truyền vi dải hở hai thiết kế mạch Tuy nhiên, kỹ thuật có vài hạn chế Đó phát xạ không mong muốn từ đoạn cấp nguồn kích thước đoạn cấp nguồn đáng kể so với patch (ví dụ trường hợp L đủ nhỏ khoảng vài mm) Phương pháp tiện lợi đường truyền vi dải thực lớp điện môi Để phối hợp trở kháng sử dụng kỹ thuật đường truyền phần tư bước sóng (λ/4 - quarterwave line), đặt lệch vị trí đường cấp tín hiệu so với điểm trung tâm (offset feed line) hay cắt sâu vào chiều rộng kim loại 50 đoạn (inset feed line) Các kỹ thuật dễ chế tạo sản xuất dễ dàng việc phối hợp trở kháng Tuy nhiên phương pháp làm gia tăng sóng bề mặt, xạ khơng mong muốn ảnh hưởng đến băng thơng Ngồi cấp nguồn cho anten PIFA kỹ thuật không tiếp xúc để hạn chế vấn đề 2.4.2 Cấp nguồn probe đồng trục Hình 2.11: Cấp nguồn probe đồng trục Cấp nguồn qua probe phương pháp để truyền tải công suất cao tần Với cách cấp nguồn này, phần lõi đầu feed nối với patch, phần nối với ground plane Ưu điểm cách đơn giản q trình thiết kế, có khả cấp nguồn vị trí patch dễ dàng cho phối hợp trở kháng Phương pháp dễ để sản xuất gây xạ không mong muốn Tuy nhiên cách có nhược điểm là: Thứ nhất, dùng đầu feed nên có phần ăn phía ngồi làm cho anten khơng hồn tồn phẳng tính đối xứng Thứ hai, cần cấp nguồn đồng trục cho dãy đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên việc chế tạo khó khăn độ tin cậy giảm 51 Thứ ba, cần tăng băng thơng anten địi hỏi phải tăng bề dày lớp chiều dài probe Kết xạ rò điện cảm probe tăng lên 2.4.3 Cấp nguồn phương pháp ghép khe Hình 2.12: Cấp nguồn phương pháp ghép khe Trong kỹ thuật này, kim loại xạ đường tiếp điện vi dải đặt tách biệt mặt phẳng đất Việc ghép kim loại đường cấp tín hiệu thực thông qua khe mặt phẳng đất Khe ghép đặt kim loại nhằm giảm bớt phân cực chéo cấu trúc đối xứng Khoảng ghép đường tiếp điện kim loại xác định kích thước vị trí khe Mặt phẳng đất tách biệt so với đường truyền kim loại nên xạ không mong muốn cực tiểu Thơng thường, vật liệu có số điện mơi lớn dày thường cho lớp cịn vật liệu có số điện mơi nhỏ mỏng sử dụng lớp nhằm tối ưu xạ từ kim loại Bất lợi phương pháp khó sản xuất, chế tạo có nhiều lớp, mà làm cho anten trở nên dày Loại tiếp điện có băng thơng rộng 52 2.5 Tính tốn kích thước cho anten PIFA Hình 2.13: Kích thước anten PIFA Anten PIFA có kích thước: chiều dài L1, chiều rộng L2 Chân ngắn mạch (shorting pin/shorting post) có chiều rộng W Khoảng cách điểm tiếp điện D Anten nằm vật liệu có số điện mơi εr và cách mặt ground khoảng h Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào chiều rộng chân ngắn mạch W  Nếu W  L2 , kích thước chân ngắn mạch với chiều rộng miếng patch, lúc anten cộng hưởng với hiệu suất xạ cao nhất: W  L2  L1    Nếu W  (W W   L1  L2  L2 ), anten PIFA cộng hưởng tại:  53 Nhìn chung, ta xấp xỉ chiều dài cộng hưởng anten PIFA công thức: L1  L2  W   Tính λ ta dễ dàng tính tần số cộng hưởng f anten f  c0  r Tuy nhiên, thực tế, việc áp dụng công thức gây sai số đáng kể Việc tính tốn anten cần phải có chỉnh sửa từ người thực để có kết mong muốn 2.6 Công nghệ đa băng cho anten PIFA Đa băng hiểu anten cộng hưởng không mà vài tần số Trong thực tế nay, gần tất loại anten sử dụng chạy nhiều băng tần khác Đối với anten PIFA dual-band, có phương pháp để thiết kế: 2.6.1 Sử dụng hai patch riêng rẽ Hai patch có đường ngắn mạch tiếp điện riêng rẽ Hình 2.14: Sử dụng hai miếng patch riêng rẽ Hiện tại, phương pháp sử dụng có cấu tạo phức tạp loại 54 2.6.2 Cắt rãnh một patch 2.6.2.1 Sử dụng rãnh L Hình 2.15: Sử dụng rãnh L patch Rãnh khoét từ biên vào, có tác dụng chia miếng Patch thành thành phần Rãnhđược tạo cho thành phần có tần số cộng hưởng khác giống vớitần số mà mong muốn 2.6.2.2 Sử dụng rãnh chữ U Hình 2.16: Sử dụng rãnh U patch Anten dao động tần số tương ứng với miếng patch có kích cỡ (L1,W1) (L2,W2) f1 ≈ c/4(L1+W1) f2 ≈ c/4(L2+W2) Sử dụng tần số cộng hưởng đường cộng hưởng đơn để tạo dual-band Các công nghệ thiết kế trường hợp là: 55 Hình 2.17: Sử dụng khe phân nhánh Nhánh (Main slit) với nhánh rẽ dài (Branch slit 1) thành phần chủyếu để uốn cong đường 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 củanhánh rẽ ngắn phải nhỏ nhiều chiều dài nhánh rẽ dài Điểm Feed điểm Short phải đặt gần phải cạnh miếng patch gần nhánh rẽ ngắn Hình 2.18: Gấp nếp miếng Patch Miếng Patch đặt lớp điện môi FR4 rãnh cắt vào để tạo độ gấp khúc cho dịng điện mặt kích thích Tổng độ dài hiệu dụng dụng điện mặt kích thích lớn nhiều so với chiều dài vật l miếng FR4, từ đólàm 56 giảm yêu cầu chiều dài anten Biến đổi tỉ số mặt cắt (L/W), tỉ lệ tần số tần số cộng hưởng mở rộng 57 CHƯƠNG - THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA Trong chương ứng dụng lý thuyết trình bày Chương Chương để thiết kế anten PIFA dựa số thông tin cho trước (tần số hoạt động, loại vật liệu điện môi ) Tuy nhiên băng thông tương đối hẹp, ta phân tích phương pháp nhằm tăng băng thơng anten lên Phần mềm HFSS Ansoft dùng để mô anten đưa kết mong muốn Đây phần mềm chuyên dụng độ xác tương đối cao sử dụng phổ biến công ty thiết kế viễn thông lớn 3.1 Thiết kế Bài toán đặt ra: Thiết kế anten PIFA cho ứng dụng GSM hoạt động hai băng tần 900MHz 1800MHz Anten đặt lớp điện mơi có thơng số bảng 3.1 Bảng 3.1: Các thông số anten Tần số cộng hưởng 900MHz, 1800MHz Hằng số điện môi(εr) 4.4 Phương pháp cấp nguồn cáp đồng trục Bề dày lớp điện môi 1.6mm Phân cực Tuyến tính Phối hợp trở kháng tìm điểm 50 Ohm 58 – Cấu trúc patch Hình 3.1: Cấu trúc patch 59 3.2 Mô 3.2.1 Mô hình anten PIFA HFSS Hình 3.2: Mơ hình anten PIFA HFSS 3.2.2 Kết mô 3.2.2.1 Tỉ số S11 Hình 3.3: Đáp ứng tần số tỉ số S11 – Anten cộng hưởng tần số f = 900 Mhz f = 1800Mhz theo yêu cầu đề ban đầu 60 – Độ rộng băng thông f = 900 Mhz 70Mhz (890-960Mhz) f = 1800Mhz 170Mhz (1710-1880Mhz) 3.2.2.2 Trở kháng Hình 3.4: Đồ thị trở kháng 3.2.2.3 Đồ thị phương hướng Hình 3.5: Đồ thị phương hướng f = 900MHz 61 Hình 3.6: Đồ thị phương hướng f = 1800MHz 62 CHƯƠNG - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Đề tài thiết kế mô anten dùng cho thiết bị đầu cuối thơng tin vơ tuyến hồn thành với số việc sau:  Tìm hiểu lý thuyết chung anten phân tích tham số quan trọng thiết kế anten  Tìm hiểu lý thuyết anten PIFA mơ hình phân tích anten PIFA  Mô anten PIFA thiết kế phần mềm HFSS để kiểm chứng lại kết Tuy nhiên, điều kiện hạn chế nên luận văn dừng lại việc mô mà chưa thể tiến hành làm thực tế để đo đạc kiểm chứng lại kết chương trình thiết kế chương trình mơ Đây hạn chế lớn đề tài HƯỚNG PHÁT TRIỂN Anten PIFA có nhiều hình dáng kích thước khác nhau, hướng phát triển tìm hiểu thiết kế anten PIFA có hình dáng đặc biệt để phù hợp với yêu cầu thực tế như: nhỏ gọn tích hợp thiết bị cầm tay với yêu cầu cao độ lợi, hiệu suất xạ Trong phần thiết kế mô luận văn này, anten PIFA tiếp điện cáp đồng trục vị trí 50 Ohm Phương pháp cho băng thông rộng so với tiếp điện đường truyền vi dải khả phối hợp trở kháng tốt Đặc biệt tiếp điện phương pháp dị trở kháng gây xạ phụ không mong muốn 63 CHƯƠNG - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài Liệu Tiếng Việt [1] GS TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [2] Phạm Minh Việt, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [3] Thái Hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng anten, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [4] Kiều Khắc Lâu, Lý thuyết trường điện từ, NXB giáo dục, Hà Nội, 2006 Tài Liệu Tiếng Anh [5] C A Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design, John Wiley & Sons, New York, 2005 [6] Thomas A Milligan, Modern Antenna Design, John Wiley & Sons, New York, 2005 [7] K L Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, Wiley, New York, 2002 [8] K L Wong, Planar Antennas for Wireless Communications, John Wiley & Sons, New York, 2002 [9] Richard C Johnson, Antenna engineering handbook, John L Volakis, New Jersey, 2003 [10] Bhag Singh Guru and Huseyin R Hiziroglu, Electromagnetic Field Theory Fundamentals, Cambridge university press, New York, 2004 [11] Microstrip line calculator, http://emtalk.com/mscalc.php 64 ... Cơng với bảo thầy, cô Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn ? ?Phân tích, thiết kế chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thông tin vô tuyến? ?? hồn thành Tơi xin chân thành cảm... trung vào phân tích anten PIFA cơng nghệ đa băng cho anten Chương 3: Thiết kế mô Phần đầu tính tốn, thiết kế mơ cho anten PIFA Qua mô xác định số thông số anten PIFA Trong luận văn ta thiết kế anten. .. trọng thiếu thiết bị truyền tin, có kết định việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo anten nhằm thoả mãn yêu cầu kỹ thuật cao thiết bị đầu cuối vô tuyến Cơ sở khoa học đề tài:  Lý thuyết anten  Lý