Thiết kế Anten cho các thiết bị di động hoạt động trong dải tần GSM, UTMS, WLAN.

Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp số

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện Tử Viễn Thông ------------------------------------------ BÁO CÁO MÔN HỌC Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp số Đề tài: Thiết kế Anten cho các thiết bị di động hoạt động trong dải tần GSM, UTMS, WLAN. Hà Nội – 2012 GV hường dẫn: TS. Đào Ngọc Chiến Người thực hiện: Chu Văn Thành - CB110907 Lớp: 11BKTTT2 2 1. Giới thiệu Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, . chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten. Gần đây, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz). Trong bài, trình bày thiết kế các một anten vi dải băng rộng đa dải tần, sử dụng cho các thiết bị di động hoạt động trong dải tần GSM, UTMS, WLAN. Anten được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi ε r =4.4, độ dày là 0.8 mm và được thiết kế tại tần số 900 MHz và 2000MHz. Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng. HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và giao diện đồ họa đẹp để mang đến sự hiểu biết sâu sắc đối với tất cả các bài toán trường điện từ 3D 3 2. Phân tích và thiết kế anten 2.1. Mô tả mô hình anten Trong bài báo cáo tập trung thiết kế một anten đơn cực phẳng phù hợp cho ứng dụng trong các thiết bị cầm tay di động (mobile hanset). Anten bao gồm một bộ phát xạ hình chữ nhật bị xẻ bởi các rãnh uốn khúc tạo thành 3 nhánh, trong đó 2 nhánh cộng hưởng và 1 nhánh điều chỉnh. Anten được in trên chất nền FR4 và được tiếp điện bởi một đường vi dải 50 Ω. Anten này có thể hoạt động trong các dải tần GSM, UTMS và WLAN với hệ số sóng đứng VSWR nhỏ hơn 2.5. 2.1.1. Giới thiệu Trong bài trình bày, một anten đơn cực phẳng với cấu trúc 2D được thiết kế. Cả cấu trúc và các tham số của cấu trúc đều được điều chỉnh một cách cẩn thận để đạt được yêu cầu cộng hưởng ở nhiều tần số (đa cộng hưởng), băng thông đủ và convenient profile. Anten có 3 nhánh và được in trên một tấm điện môi. Trước tiên, 2 nhánh được thiết kế để cộng hưởng ở 2 tần số nhất định, và sau đó nhánh thứ 3 được thêm vào để điều chỉnh tần số cộng hưởng cho phù hợp với các dải tần mong muốn. Với diện tích nhỏ 36 x 15 mm2, anten đáp ứng yêu cầu của các chuẩn truyền thông sau: GSM (Global System for Mobile communications, 890 MHz – 960 MHz), UTMS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 MHz – 2170 MHz) và WLAN (Wireless Local Area Network, 2400 MHz – 2484 MHz). Hình 2.1: Hình dạng của anten được thiết kế trong khóa luận 4 2.1.2. Thiết kế thành phần bức xạ Hình dạng tổng thể của anten mà khoá luận thiết kế được thể hiện trong hình 2.1 và thành phần bức xạ được thể hiện trong hình 2.2 dưới đây. Hình 2.2: Thành phần bức xạ của anten Thành phần bức xạ đơn cực phẳng chiếm diện tích là 36 x 15 mm2, và được in trên chất nền FR4 dày 0.8 mm (hằng số điện môi tương đối là 4.4). Tấm điện môi này được dùng phổ biến để làm các mạch PCB cho điện thoại di động. Chất nền (lớp điện môi) rộng 36 mm và dài 75 mm. Ở mặt sau của tấm điện môi, mặt phẳng đất được in có chiều rộng 36 mm và chiều dài 60 mm. Thành phần bức xạ đơn cực được tiếp điện bởi một đường vi dải 50 Ω như được chỉ ra trong hình 2.1. Thành phần bức xạ chính (patch) ban đầu có dạng hình chữ nhật. Bằng cách xẻ một rãnh uốn khúc trên thành phần bức xạ ban đầu tạo ra 3 nhánh, trong đó nhánh cộng hưởng thứ nhất là nhánh dài hơn, nhánh cộng hưởng thứ hai là nhánh ngắn hơn và nhánh điều chỉnh (nhánh thứ ba) với các kích thước chi tiết được chỉ ra trong hình 2.3. Hình 2.3: Kích thước chi tiết thành phần bức xạ của anten Ta mong muốn anten hoạt động tại 2 dải tần (dải thứ nhất cho GSM và dải thứ hai gồm 4 dải gần nhau là DCS, PCS, UTMS và WLAN), do đó thiết kế ban đầu chỉ có 2 nhánh cộng hưởng (không có nhánh thứ ba). Chiều dài của nhánh dài hơn tính từ điểm tiếp điện tới đầu cuối của nhánh cộng hưởng thứ nhất là khoảng 75 mm. Giá 5 trị này rất gần với ¼ bước sóng tại tần số 900MHz trong không gian tự do. Cũng nên chú ý rằng, tần số cộng hưởng phụ thuộc cả vào chiều dài của nhánh và chiều rộng của đầu cuối. Theo cách tương tự, chiều dài của nhánh cộng hưởng thứ hai tính từ điểm tiếp điện tới đầu cuối của nó là khoảng 35 mm, xấp xỉ ¼ bước sóng tại tần số 2 GHz. Độ dài 2 nhánh cộng hưởng được chọn ngắn hơn so với ¼ bước sóng cộng hưởng được chọn. Lý do chính là một số tồn tại trong thực tế của chất nền sẽ thu ngắn bước sóng cộng hưởng. Anten với chỉ 2 nhánh cộng hưởng 1 và 2 có khả năng hoạt động ở 2 dải tần. Tuy nhiên, băng thông lại chưa đủ để bao phủ tất cả 5 dải tần được liệt kê ở trên, đặc biệt là dải WLAN (kết quả mô phỏng được thể hiện trong phần sau). Do đó, nhánh điều chỉnh (nhánh thứ ba) được thêm vào tại một vị trí thích hợp trên nhánh cộng hưởng thứ nhất. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, bằng cách điều chỉnh cẩn thận các kích thước của nhánh thứ ba, các mode cộng hưởng cơ bản và bậc cao hơn của nhánh cộng hưởng thứ nhất có thể được điều chỉnh tới tần số mong muốn. Theo dữ liệu mô phỏng, tần số cộng hưởng của mode cơ bản được giảm từ 900 MHz xuống 870 MHz. Đối với mode bậc cao hơn, tần số cộng hưởng thay đổi từ lớn hơn 3 GHz xuống khoảng 2.3 GHz. Do đó, anten khi có đủ 3 nhánh có thể hoạt động ở cả 3 dải tần GSM/UTMS/WLAN. 2.1.3. Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng Trong thiết kế này lựa chọn bộ phối hợp trở kháng dạng tam giác. Do hình dạng của nó dễ dàng thực hiện được bằng phương pháp thủ công. Sự biến đổi của trở kháng Z(z) theo z của phối hợp trở kháng dạng tam giác là: Hình 2.4: Bộ phối hợp trở kháng dạng tam giác 6 Với Z0 = 100 Ω và ZL = 50 Ω. Đáp ứng biên độ của hệ số phản xạ được: Hình 2.5: Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác [4] (a). Sự biến đổi của trở kháng theo z (b). Đáp ứng biên độ của hệ số phản xạ Γ(θ) 2.1.4. Thiết kế đường truyền vi dải 50 Ω Thiết kế với Ansoft Designer 2.0, xác định độ rộng (W) của một đường truyền vi dải có trở kháng đặc trưng Z 0 = 50 Ω, hằng số điện môi chất nền ε r = 4.4 (FR4- epoxy), chiều cao chất nền h= 0.8 mm, độ dày lớp đồng là t = 0.034 mm. Các bước thiết kế lần lượt như sau: 1. Khởi động Ansoft Designer 2.0 2. Từ menu Project, chọn Insert Planar EM Design… Sau đó cửa sổ Choose Layout Technology xuất hiện cho phép bạn chọn Layout. 3. Ta chọn MS-FR4(Er=4.4) 0.060 inch, 0.5 oz copper. Sau đó nhấn Open. 4. Cửa sổ thiết kế xuất hiện, cho phép bạn thực hiện các thao tác thiết kế. Từ menu Layout, ta chọn Layers, chọn tab Stackup để sửa đổi các thông số của đường truyền như hình 2.6: 7 Hình 2.6: Thiết lập các thông số của đường truyền 5. Ta sẽ ước lượng độ rộng (W) của đường truyền vi dải. Từ menu Planar EM, ta chọn Estimate. Cửa sổ Estimate xuất hiện, với tab mặc định là Tline. Hình 2.7: Ước lượng độ rộng W của đường truyền vi dải 2.2. Mô phỏng cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đồ họa. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham 8 số γ, . HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt là đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, … Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động. Chu trình thiết kế được minh họa trong hình 4.1, bao gồm các bước sau: 1. Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích. 2. Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời giải. 3. Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động. 4. Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị trường 2D. Trong quá trình thực hiện phân tích, HFSS sẽ chia toàn bộ cấu trúc thành các tứ diện nhỏ (gọi là mắt lưới). Hệ thống mắt lưới sẽ lấp kín toàn bộ cấu trúc. Tại mỗi bước thích nghi, HFSS sẽ tính giá trị của tham số S cho từng mắt lưới. Giữa 2 bước thích nghi liên tiếp, HFSS sẽ tính gia số Delta S với công thức như sau: Delta S = Max ij [mag (S N ij – S (N-1) ij )] Trong đó i và j là chỉ số của phần tử tuơng ứng trong ma trận S và N là chỉ số của bước thích nghi. Delta S là giá trị lớn nhất của gia số của biên độ của tham số S tương ứng. HFSS sẽ so sánh giá trị Delta S này với tiêu chuẩn hội tụ do người dùng định nghĩa để kết luận sự hội tụ của lời giải. 9 Hình 2.8: Chu trình thực hiện mô phỏng với HFSS 2.3. Thiết đặt các tham số trong HFSS 2.3.1. Solution Setup Click phải vào Analysis và chọn Add Solution Setup…. Cửa sổ Solution Setup sẽ hiển thị. Tại đây ta sẽ thiết đặt Solution Frequency (hay Adaptive Frequency) và Convergence Criteria (tiêu chuẩn hội tụ). General Tab Solution Frequency Tần số này được sử dụng bởi thành phần chia lưới thích nghi (adaptive mesher) để tự động chia mắt lưới. Sau khi thiết đặt “Solution frequency”, tất nhiên sẽ nhận được một giá trị bước sóng tương ứng, và HFSS sẽ thiết đặt việc tính toán các mắt lưới theo giá trị bước sóng này. Do đó, nếu thiết đặt tần số “Solution frequency” cao hơn, ta sẽ nhận được bước sóng ngắn hơn, mắt lưới ta thu được cũng nhỏ hơn. Điều đó cũng có nghĩa rằng, số lượng mắt lưới sẽ lớn hơn. Về lý thuyết, kết quả mô phỏng nhận được sẽ chính xác hơn. Vì vậy, “Solution frequency” không nhất thiết phải trùng với tần số cộng hưởng của cấu trúc. Tuy nhiên, ta sẽ gặp một vấn đề khác đó là: tài nguyên của máy vi tính (bộ nhớ) là có 10 hạn. Do đó, nếu số lượng mắt lưới quá lớn, sẽ làm tràn bộ nhớ máy tính. Giải pháp cho vấn đề này được thực hiện như sau: chia dải tần quan tâm (500 MHz – 3 GHz), đối với anten được thiết kế trong khóa luận này, thành 5 dải tần nhỏ hơn và thực hiện phân tích với thiết đặt “Solution frequency” cho từng dải nhỏ như sau: Lựa chọn Solution frequency Hình 2.9: Thiết đặt các tùy chọn “Solution Setup” trong tab General Solve Ports Only Khi sử dụng tùy chọn này, HFSS xác định tần số hoặc mode ban đầu được sử dụng để kích thích cấu trúc. Lời giải chỉ áp dụng tại các port có thể được sử dụng để tính toán giản đồ trường tại port. Lời giải này hữu dụng khi cần xác định số lượng mode, độ dài port và/hoặc thiết lập port hợp lý trước khi chạy Analysis để tìm toàn 500 -- 1000 MHz 1000 MHz 1000 -- 1500 MHz 1500 MHz 1500 -- 2000 MHz 2000 MHz 2000 -- 2500 MHz 2500 MHz 2500 -- 3000 MHz 3000 MHz