Thiết kế, mô phỏng anten vi dải băng rộng, đa dải tần sử dụng cho các thiết bị di động hoạt động trong dải tần gsm, utms, wlan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG, ĐA DẢI TẦN SỬ DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Minh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Giang MSSV: 1151080439 Lớp 52K - ĐTVT : Nghệ An, 2016 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập rèn luyện trƣờng Đại Học Vinh khoa Điện tử - Viễn thông em đƣợc trang bị kiến thức đại cƣơng, kiến thức chuyên ngành nhƣ kiến thức sống để em trƣởng thành hồn thành xong đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trƣờng, Ban lãnh đạo Khoa Điện tử - Viễn Thông thầy, cô khoa tạo điều kiện môi trƣờng học tập, quan tâm, giúp đỡ bảo tận tình em suốt thời gian học làm việc Khoa Điện tử - Viễn thơng nói riêng trƣờng Đại Học Vinh nói chung Đặc biệt trình làm đồ án, em xin chân thành cảm ơn cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh quan tâm hƣớng dẫn, bảo, tìm hiểu giúp đỡ em lựa chọn đề tài nhƣ thực đề tài tốt nghiệp để em hồn thành xong đồ án tốt nghiệp Thời gian làm đồ án, em cố gắng tìm hiểu đƣợc hƣớng dẫn bảo tận tình nhƣng khơng tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong đƣợc góp ý thầy giáo, cô giáo bạn để đồ án em hồn thiện i MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU v DACH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI MỞ ĐẦU viii CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các tham số anten 1.2 Anten vi dải 1.2.1 Các hình dạng anten vi dải 1.2.2 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 1.2.3 Nguyên lý xạ anten vi dải 11 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠNG GSM, UMTS, WLAN………… 13 2.1 Mạng GSM 13 2.1.1 Giới thiệu 13 2.1.2 Lịch sử phát triển 13 2.1.3 Các tiêu kỹ thuật mạng GSM 13 2.1.4 Băng tần sử dụng mạng GSM 14 2.1.5 Cấu trúc hệ thống mạng GSM 15 2.1.6 Giao diện vô tuyến 16 2.2 Mạng UMTS 17 2.2.1 Giới thiệu 17 2.2.2 Lịch sử phát triển 17 2.2.3 Các đặc trƣng mạng UMTS 17 2.2.4 Công nghệ 18 2.2.5 Cấu trúc mạng UMTS 19 2.2.6 Các giao diện mạng UMTS 20 2.3 Mạng WLAN 21 2.3.1 Giới thiệu 21 2.3.2 Lịch sử đời 21 ii 2.3.3 Các mơ hình mạng WLAN 22 2.3.4 Các chuẩn WLAN 24 2.3.5 Ƣu, nhƣợc điểm WLAN 26 2.3.6 Các phƣơng thức bảo mật WLAN 27 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UMTS, WLAN 29 3.1 Giới thiệu phần mềm mô anten Ansoft HFSS 29 3.2 Phân tích thiết kế anten 32 3.2.1 Yêu cầu thiế kế 32 3.2.2 Thiết kế phần xạ 33 3.2.3 Thiết kế phần phối hợp trở kháng đƣờng truyền vi dải 34 3.2.4 Kết mô 36 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, em trình bày cấu trúc, đặc trƣng, công nghệ sử dụng ứng dụng mạng GSM, UMTS, WLAN hệ thống thông tin di động Tổng quan anten vi dải, tham số, hình dạng kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải Trên sở đó, đồ án tiến hành thiết kế, mơ anten vi dải đa dải tần sử dụng cho thiết bị di động hoạt động dải tần GSM, UMTS, WLAN Đồ án đƣợc thực thông qua việc mô phần mềm HFSS làm việc đƣợc dải tần 860Mhz – 900Mhz; 1700Mhz – 2430Mhz, anten có tính phối hợp trở kháng tƣơng đối tốt ABSTRACK In this thesis, I presented the structure, features, technology use and application of the GSM, UMTS, WLAN in the mobile communication system Overview micro strip antennas, parameters, shapes and techniques from that to micro strip antennas On that basis, conduct design projects, multi-band antenna simulation of frequency bands used for mobile devices in the band GSM, UMTS, WLAN HFSS software used to survey and evaluate the parameters of the antenna Thesis Schemes are implemented through software simulations with HFSS works in the frequency range 860MHz 900MHz; 1700Mhz - 2430Mhz, coordinated antenna impedance is relatively good iv DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Anten nhƣ thiết bị truyền sóng Hình 1.2 Phƣơng trình tƣơng đƣơng Thevenin cho hệ thống anten Hình 1.3 Các trƣờng xạ khu xa Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten Hình 1.5 Anten vi dải Hình 1.6 Các dạng anten vi dải thông dụng Hình 1.7 Cấp nguồn dùng đƣờng truyền vi dải Hình 1.8 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 10 Hình 1.9 Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép khe 10 Hình 1.10 Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép gần 11 Hình 1.11 Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình chữ nhật 12 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống mạng GSM 15 Hình 2.2 Cấu trúc mạng UMTS 19 Hình 2.3 Mơ hình mạng Ad-hoc 22 Hình 2.4 Mơ hình mạng BSS 23 Hình 2.5 Mơ hình mạng ESS 24 Hình 3.1 Thành phần xạ anten 33 Hình 3.2 Kích thƣớc mặt xạ 34 Hình 3.3 Hình dạng anten thiết kế 35 Hình 3.4 Đồ thị S11 36 Hình 3.5 Tỉ số sóng đứng điện áp vswr 36 Hình 3.6 Trở kháng vào dải tần GSM 37 Hình 3.7 Trở kháng vào dải tần UMTS, WLAN 37 Hình 3.8 Giản đồ xạ 3D hệ toạ độ cực tần số 870Mhz 38 Hình 3.9 Giản đồ xạ 3D hệ toạ độ cực tần số 2190Mhz 38 Hình 3.10 Giản đồ xạ 3D hệ toạ độ cực tần số 2400Mhz 39 Bảng 3.1 Toạ độ kích thƣớc anten 35 v DACH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt Global System for Mobile Hệ thơng thơng tin di động communication tồn cầu Universal Mobile Hệ thống thông tin di động Telecommunication System phổ WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây HFSS High Frequency Structure Phần mềm mô dùng Simulator để giải trƣờng điện từ Digital Communication System Hệ thống truyền thông kỹ tắt GSM UMTS DCS thuật số PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân CEPT European Conference of Postal and Hội nghị Châu Âu Bƣu Telecommunications Viễn thơng Chính Administrations quyền European Telecommunications Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Standards Institute châu Âu MS Mobile Station Trạm di động SS Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch BSS Base Station Subsystem Hệ thống trạm gốc OSS Opration Subsystem Hệ thống khai thác MSC Mobile Services ETSI Trung tâm chuyển mạch Switching Center nghiệp vụ di động HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thƣờng trú VLR Visitor Location Registor Bộ ghi định vị tạm trú AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực EIR Equipment Identification Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc vi NMC Network Management Center Trung tâm quản lý mạng OMC Operation & Maintenance Center Trung tâm quản lý bảo dƣỡng ME Mobile Equipment Thiết bị di động TDM Time division multiplexing Đa truy nhập phân chia theo thời gian CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã FDD Frequency Division Duplex Ghép tần số song công GPRS General Packet Radio Service Dich vụ liệu dạng gói MCS Modulation and Coding Schemes Điều chế Mã hóa IBSSs Independent Basic Service Set Mơ hình mạng độc lập BSS The Basic Service Sets Mơ hình mạng sở ESS Extended service set Mơ hình mạng mở rộng SSID Service set identifiers Dịch vụ thiết lập định danh WEP Wired Equivalent Privacy Mạng vii LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông không dây phát triển nhanh năm gần đây, theo thiết bị di động trở nên ngày nhỏ Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ thiết bị di động, anten gắn thiết bị đầu cuối phải đƣợc thu nhỏ kích thƣớc Các anten phẳng, nhƣ anten vi dải anten mạch in, có ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ dễ gắn lên thiết bị đầu cuối,… nhiều anten vi dải đƣợc thiết kế thỏa mãn yêu cầu băng thông hệ thống truyền thông di động tế bào nay, bao gồm GSM, DCS, PCS UMTS Anten vi dải thích hợp ứng dụng thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục không dây WLAN Cùng hƣỡng dẫn giáo viên Th.s Nguyễn Thị Minh em tiến hành “Thiết kế, Mô anten vi dải băng rộng, đa dải tần sử dụng cho thiết bị di động hoạt động dải tần GSM, UTMS, WLAN” Đồ án đƣợc mô phần mềm Ansoft HFSS Cấu trúc đồ án, phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng biểu, tài liệu tham khảo, nội dung đồ án đƣợc trình bày chƣơng: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết anten Nội dung chƣơng trình bày khái niệm anten, hình dạng anten, tham số anten kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải Chƣơng 2: Tổng quan mạng GSM, UMTS, WLAN Nội dung chƣơng em giới thiệu mạng GSM, UMTS, WLAN, băng tần sử dụng, cấu trúc, đặc trƣng mạng Chƣơng 3: Thiết kế, mô anten vi dải băng rộng đa dải tần hoạt động dải tần GSM, UMTS, WLAN Nội dung chƣơng giới thiệu phần mềm mô anten HFSS, thiết kế, mô anten tham số anten đạt đƣợc sau mô Sinh viên thực Nguyễn Văn Giang viii CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ khơng gian bên ngồi đƣợc gọi anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp khơng gian tự thiết bị dẫn sóng, nhƣ thể hình 1.1 Thơng thƣờng máy phát anten phát, nhƣ máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà đƣợc ghép với qua đƣờng truyền lƣợng điện từ, gọi fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện đƣợc truyền theo fide tới anten phát dƣới dạng sóng điện từ Ngƣợc lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện từ Sóng đƣợc truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten fide phải thực việc truyền biến đổi lƣợng với hiệu suất cao khơng gây méo dạng tín hiệu Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng [1] Phƣơng trình tƣơng đƣơng Thevenin hệ thống anten hình 1.1 làm việc chế độ phát đƣợc thể hình 1.2, nguồn đƣợc thể tạo dao động lý tƣởng, đƣờng truyền dẫn đƣợc thể đƣờng dây với trở kháng đặc trƣng Zc, anten đƣợc thể tải ZA, ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể mát điện môi vật dẫn – Khả lƣu động cải thiện hiệu suất dịch vụ: Các hệ thống mạng Wireless cung cấp truy cập thông tin thời gian thực đâu cho ngƣời dùng mạng tổ chức họ Khả lƣu động hỗ trợ hội hiệu suất dịch vụ mà mạng nối dây thực đƣợc – Đơn giản tốc độ nhanh cài đặt: Cài đặt hệ thống mạng Wireless nhanh dễ dàng loại trừ nhu cầu kéo dây qua tƣờng trần nhà – Linh hoạt cài đặt: Công nghệ không dây cho phép mạng đến nơi mà mạng nối dây – Giảm bớt giá thành sở hữu: Trong đầu tƣ ban đầu phần cứng cần cho mạng Wireless có giá thành cao chi phí phần cứng mạng LAN hữu tuyến, nhƣng chi phí cài đặt tồn giá thành tính theo tuổi thọ thấp đáng kể – Tính linh hoạt: Các hệ thống mạng Wireless đƣợc định hình theo kiểu topo khác để đáp ứng nhu cầu ứng dụng cài đặt cụ thể Cấu hình mạng dễ thay đổi từ mạng độc lập phù hợp với số nhỏ ngƣời dùng đến mạng sở hạ tầng với hàng nghìn ngƣời sử dụng vùng rộng lớn  Nhược điểm: – Bảo mật: Môi trƣờng kết nối khơng dây khơng khí nên khả bị công ngƣời dùng cao – Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với thiết bị chuẩn hoạt động tốt phạm vi vài chục mét, phù hợp nhà, nhƣng với tồ nhà lớn khơng đáp ứng đƣợc nhu cầu, để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng – Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vơ tuyến để truyền thơng nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm tác động thiết bị khác không tránh khỏi, làm giảm đáng kể hiệu hoạt động mạng – Tốc độ: Tốc độ mạng không dây chậm so với mạng sử dụng cáp 2.3.6 Các phương thức bảo mật WLAN Bảo mật mạng WLAN hệ đƣợc định nghĩa tiêu chuẩn mạng khơng dây IEEE 802.11b Nó định nghĩa hai chế cho việc xác thực nhƣ mã hóa liệu sử dụng Số định danh SSID giao thức WEP  Phương pháp sử dụng SSID: Một phƣơng pháp đơn giản sử dụng số định danh SSID để điều khiển việc truy cập thiết bị không dây vào hệ 27 thống SSID tên định danh thiết bị AP, nhiên việc sử dụng SSID để điều khiển truy cập khơng an tồn, WLAN thiết bị AP có số SSID nhất, SSID phải đƣợc chia sẻ cho nhiều ngƣời lúc Hơn để thuận tiện cho trình sử dụng, chế độ quảng bá giá trị SSID thƣờng đƣợc kích hoạt, thiết bị WLAN nhận diện đƣợc AP đặt vùng phát sóng  Giao thức bảo mật WEP: Giao thức cung cấp khả bảo mật cho liệu mạng WLAN phƣơng thức mã hóa sử dụng thuật tốn đối xứng RC4 Thuật tốn RC4 cho phép chiều dài khóa thay đổi phù hợp với chuẩn 802.11 địi hỏi bắt buộc thiết bị không dây phải hỗ trợ chiều dài khóa tối thiểu 40 bit Hiện nay, đa số thiết bị không dây hỗ trợ mã hóa với ba chiều dài khóa 40 bit, 64 bit 128 bit Ngoài WEP hỗ trợ việc xác thực máy client thơng qua khóa mã hóa Một máy nối mạng khơng dây khơng có khóa hợp lệ khơng thể truy cập đến Access Point giải mã đƣợc liệu, nhiên số lƣợng khóa đƣợc cấu hình AP ít, mạng WLAN có nhiều client truy cập nhiều client phải chia chung khoá, yếu tố dẫn đễn nguy an toàn cao Ngoài kỹ thuật mã hóa WEP kỹ thuật mã hóa yếu Thời gian gần xuât nhiều công cụ cơng WEP, dị tìm đƣợc khóa WEP thời gian ngắn  Bảo mật 802.1X: 802.1X chuẩn bảo mật nhằm gải quyến điểm yếu tồn chuẩn 802.11b Chuẩn bảo mật cung cấp giao thức xác thực mã hóa để bảo mật cho mạng WLAN tốt hơn, bao gồm thành phần sau: - Tiến trình xác thực: Trong chuẩn bảo mật này, trình xác thực client đƣợc thực RADIUS server RADIUS server quản lý tập trung toàn ngƣời dùng WLAN, máy client không đƣợc phép truy cập vào mạng chƣa đƣợc xác thực Để đƣợc xác thực, client cần cung cấp Username password, trình xác thực đƣợc thực theo hai chiều - Các giao thức xác thực mở rộng EAP: Là giao thức sử dụng để thỏa hiệp việc kết nối bảo mật ngƣời sử dụng server Có nhiều giao thức EAP, hãng sản xuất phát triển nhƣ EAP-TSL Mirosoft, EAP-CISCO Wireless Cisco, EAP-TTSL Junifer, 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UMTS, WLAN 3.1 Giới thiệu phần mềm mô anten Ansoft HFSS Ansoft HFSS phần mềm mô dùng để giải trƣờng điện từ dựa phƣơng pháp phần tử hữu hạn tồn sóng cho cấu trúc ba chiều HFSS sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn tồn sóng ba chiều để tính tốn đặc trƣng điện học linh kiện tần số cao tốc độ cao Với HFSS, kỹ sƣ tách tham số kí sinh X, Y, Z, hình dung trƣờng điện từ ba chiều tạo mẫu chƣơng trình mơ chuyên dùng cho mạch in thực thiết kế tối ƣu HFSS mơ tả xác hoạt động điện linh kiện đánh giả hiệu chất lƣợng tín hiệu, bao gồm tổn hao đƣờng truyền, tổn hao phản xạ không phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh phát xạ HFSS mơ trƣờng điện từ, dòng điện phát xạ cấu trúc ba chiều bao gồm kim loại, điện môi, vật liệu từ v.v… dựa phƣơng pháp phần tử hữu hạn ba chiều HFSS đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp cho tần số vô tuyến RF, anten thiết kế mạch HFSS phần mềm chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S chƣơng trình mơ chun dùng cho mạch in tồn sóng cho mơ điện từ linh kiện tần số cao với tốc độ cao HFSS đƣợc sử dụng rộng rãi cho việc thiết kế phần tử thụ động nhúng chip, đầu nối mạch in, anten, linh kiện RF, vi ba gói IC tần số cao HFSS phát triển sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển khẳng định rõ thành công thiết kế Phiên HFSS đƣa mở rộng việc phối hợp thiết kế điện từ tới nhánh khác kỹ sƣ làm việc khu vực thiết kế IC RF analog thiết kế multigigabit nhƣ EMI/EMC HFSS đƣợc dùng để mô đầu nối, ống dẫn sóng, linh kiện chip, anten, v.v… dùng cho việc khảo sát tham số, tối ƣu cấu trúc, … HFSS đƣợc dựa phƣơng pháp phần tử hữu hạn ba chiều Đó phƣơng pháp miền tần số, phƣơng pháp phần tử hữu hạn chia không gian thành phần tử hữu hạn mô tả trƣờng miền hàm cục Với thể tích tổng cộng miền trƣờng tán xạ đƣợc mở rộng thành loạt hàm biết với hệ số mở rộng chƣa biết Giá trị số lƣợng trƣờng vectơ 29 điểm tứ diện đƣợc nội suy số học từ giá trị đỉnh trung điểm cạnh Bộ mô biến đổi phƣơng trình Maxwell thành phƣơng trình ma trận, đƣợc giải sử dụng phƣơng pháp số học HFSS tạo lƣới khởi tạo Sử dụng lƣới khởi tạo, HFSS tính tốn trƣờng điện từ tồn bên cấu trúc đƣợc kích thích tần số nghiệm Đƣợc dựa lời giải phần tử hữu hạn tại, HFSS xác định vùng chứa vấn đề mà việc tính nghiệm gặp lỗi, tứ diện vùng đƣợc tinh chỉnh HFSS tạo lời giải khác sử dụng lƣới tinh chỉnh HFSS tính lại lỗi trình lặp lặp lại tiêu chuẩn hội tụ đƣợc thỏa mãn hoàn tất số tần thơng qua thích ứng Nếu tần số quét đƣợc thực hiện, HFSS giải vấn đề điểm tần số khác mà không cần tinh chỉnh thêm  Các quét tần số Thực quét tần số ngƣời sử dụng muốn tạo lời giải qua dải tần số Ta lựa chọn loại quét sau: Nhanh: Tạo lời giải trƣờng đầy đủ cho phép chia khoảng tần số, tốt cho mẫu đột ngột cộng hƣởng hay thay đổi hoạt động băng tần số Một quét nhanh chứa mơ tả xác đặc điểm gần cộng hƣởng Rời rạc: Tạo lời giải trƣờng điểm tần số cụ thể dải tần, tốt có vài điểm tần số cần thiết phải mơ tả xác kết dải tần Nội suy: Đánh giá lời giải cho toàn dải tần, tốt dải tần rộng đáp ứng tần số phẳng, hay yêu cầu nhớ quét nhanh vƣợt tài nguyên bạn Kích thích Thiết lập kích thích cho thiết kế HFSS cho phép bạn cụ thể hóa nguồn trƣờng điện từ điện tích, dịng điện hay điện áp vật hay bề mặt: Wave port, lumped port, sóng tới, nguồn điện áp, nguồn dịng điện, nguồn phân cực từ 30  Các đƣờng biên Các điều kiện biên cụ thể hóa đặc tính trƣờng bề mặt vùng toán giao diện vật thể Khu vực ý kỹ thuật bao gồm thông tin loại đƣờng biên: Perfect E, perfect H, trở kháng, phát xạ, chất dẫn điện hữu hạn, đối xứng, lumped RLC, trở kháng phân lớp, mặt phẳng đất vô hạn Các tính chất vật liệu tuyến tính: - Hệ số từ thẩm tƣơng đối - Hệ số điện môi tƣơng đối - Điện dẫn -Tổn hao điện môi tiếp tuyến - Tổn hao từ tiếp tuyến Các tính chất vật liệu ferit: - Đƣờng bão hòa từ - Hệ số Lande G - Delta H Thông tin bao gồm điều sau: - Các vật liệu không đẳng hƣớng - Các tính chất vật liệu phụ thuộc tần số  Lựa chọn chất điện môi: Lựa chọn lớp điện môi làm bƣớc trình thiết kế anten vi dải Khi lựa chọn lớp điện môi cần ý đến số đặc tính nhƣ: Hằng số điện môi, suy hao tiếp tuyến, độ dày lớp điện môi ảnh hƣởng khác lên vật liệu điện mơi nhƣ nhiệt độ, tần số, tính đẳng hƣớng,… Hiện nay, thị trƣờng có nhiều loại vật liệu điện mơi khác hầu nhƣ khơng có loại hoàn hảo Chúng ta lựa chọn vật liệu điện mơi dựa vào ứng dụng cụ thể, ví dụ nhƣ muốn thiết kế anten vi dải hoạt động tần số thấp phải lựa chọn vật liệu có số điện mơi lớn để kích thƣớc anten trở nên nhỏ gọn Thành phần vật liệu điện mơi gốm alumina Al2O3 Các đặc tính chủ yếu loại vật liệu tƣơng đối tốt nhƣ: Hằng số điện môi cao, suy hao thấp, tán xạ tần số thấp…Tuy nhiên, loại vật liệu có khổ kích thƣớc nhỏ x inch nên khó chế tạo loại anten vi dải có cấu trúc phức tạp Một đặc tính học khác loại cứng giòn nên khó gia cơng Nhƣ loại vật liệu thích hợp cho loại anten vi dải có cấu trúc đơn giản hoạt động dãy tần số thấp Dựa vào đặc tính vật liệu điện mơi 31 chia làm nhóm nhƣ sau: • Vật liệu điện mơi bán dẫn Thành phần chủ yếu loại vật chất bán dẫn nhƣ Si hay GaAs Loại vật liệu đƣợc sử dụng có kích thƣớc nhỏ nên khó thực loại anten vi dải hoạt động dải tần số viba Loại vật liệu thích hợp cho anten hoạt động dải tần cao tích hợp ngun khối • Vật liệu điện môi ferrit từ Loại vật liệu ngày đƣợc sử dụng phổ biến có số điện môi cao suy hao thấp Trong tự nhiên vật liệu ferrit không đẳng hƣớng nên tần số cộng hƣởng anten vi dải phụ thuộc vào phân cực từ trƣờng vật liệu Các anten vi dải sử dụng vật liệu tăng băng thơng lên đáng kể cách thay đổi phân cực từ vật liệu ferrit mà không làm ảnh hƣởng đến đặc tính xạ anten • Vật liệu điện mơi nhân tạo Đây loại vật liệu có suy hao thấp, số điện môi thấp phù hợp để thiết kế loại anten vi dải Vật liệu có nhiều loại nhƣ: Teflon,Polystyrene, Polyolefin, Polyphenylence…Tuy nhiên loại vật liệu mềm dẻo thay đổi theo nhiệt độ • Vật liệu điện môi hỗn hợp Hiện nay, loại vật liệu đƣợc dùng phổ biến thiết kế anten vi dải Vật liệu kết hợp đặc tính điện loại vật liệu khác loại vật liệu hỗn hợp có đặ tính điện nhƣ mong muốn.Trong thực tế, lựa chọn vật liệu điện môi làm lớp cho anten vi dải ngƣời ta thƣờng dựa vào tiêu chí sau: - Khả kích thích sóng bề mặt - Ảnh hƣởng phân tán số điện môi lớp - Độ suy hao lớp đồng số điện mơi - Tính dị hƣớng lớp 50 - Những yêu cầu học: dễ gia công, dễ hàn, nhẹ, đàn hồi… 3.2 Phân tích thiết kế anten 3.2.1 Yêu cầu thiế kế Ta thiết kế anten đơn cực phẳng phù hợp cho ứng dụng thiết bị cầm tay di động Anten bao gồm phát xạ hình chữ nhật bị xẻ rãnh uốn 32 khúc tạo thành nhánh, nhánh cộng hƣởng nhánh điều chỉnh Anten đƣợc in chất FR4 đƣợc tiếp điện đƣờng vi dải 50 Ω Anten hoạt động dải tần GSM, UTMS WLAN với hệ số sóng đứng VSWR nhỏ Cả cấu trúc tham số cấu trúc đƣợc điều chỉnh cách cẩn thận để đạt đƣợc yêu cầu cộng hƣởng nhiều tần số, băng thơng đủ Anten có nhánh đƣợc in điện môi Trƣớc tiên, nhánh đƣợc thiết kế để cộng hƣởng tần số định, sau nhánh thứ đƣợc thêm vào để điều chỉnh tần số cộng hƣởng cho phù hợp với dải tần mong muốn Với diện tích nhỏ 36 x 15 mm, anten đáp ứng yêu cầu chuẩn truyền thông sau: GSM (890 MHz – 960 MHz), UTMS (1920 MHz – 2170 MHz) WLAN (2400 MHz – 2484 MHz) 3.2.2 Thiết kế phần xạ Thành phần xạ đơn cực phẳng chiếm diện tích 36 x 15 mm, đƣợc in chất FR4 dày 0.8 mm, số điện môi tƣơng đối 4.4 Tấm điện môi đƣợc dùng phổ biến để làm mạch PCB cho điện thoại di động Lớp điện môi rộng 36 mm dài 75 mm Ở mặt sau điện môi, mặt phẳng đất đƣợc in có chiều rộng 36 mm chiều dài 60 mm Thành phần xạ đơn cực đƣợc tiếp điện đƣờng vi dải 50 Ω Ban đầu có dạng hình chữ nhật Bằng cách xẻ rãnh uốn khúc thành phần xạ ban đầu tạo nhánh, nhánh cộng hƣởng thứ nhánh dài hơn, nhánh cộng hƣởng thứ hai nhánh ngắn nhánh điều chỉnh Hình 3.1 Thành phần xạ anten 33 Hình 3.2 Kích thước mặt xạ Anten hoạt động dải tần, thiết kế ban đầu có nhánh cộng hƣởng Chiều dài nhánh dài tính từ điểm tiếp điện tới đầu cuối nhánh cộng hƣởng thứ khoảng 75 mm Giá trị gần với ¼ bƣớc sóng tần số 900MHz không gian tự Chiều dài nhánh cộng hƣởng thứ hai tính từ điểm tiếp điện tới đầu cuối khoảng 35 mm, xấp xỉ ¼ bƣớc sóng tần số 2GHz Độ dài nhánh cộng hƣởng đƣợc chọn ngắn so với ¼ bƣớc sóng cộng hƣởng đƣợc chọn Lý số tồn thực tế chất thu ngắn bƣớc sóng cộng hƣởng Anten với nhánh cộng hƣởng có khả hoạt động dải tần Tuy nhiên, băng thông lại chƣa đủ để bao phủ tất dải tần, đặc biệt dải WLAN Do đó, nhánh điều chỉnh đƣợc thêm vào vị trí thích hợp nhánh cộng hƣởng thứ Bằng cách điều chỉnh cẩn thận kích thƣớc nhánh thứ ba, mode cộng hƣởng bậc cao nhánh cộng hƣởng thứ đƣợc điều chỉnh tới tần số mong muốn Tần số cộng hƣởng mode đƣợc giảm từ 900 MHz xuống 870 MHz Đối với mode bậc cao hơn, tần số cộng hƣởng thay đổi từ lớn GHz xuống khoảng 2.3 GHz Do đó, anten có đủ nhánh hoạt động dải tần GSM, UTMS, WLAN 3.2.3 Thiết kế phần phối hợp trở kháng đường truyền vi dải Trong ta lựa chọn phối hợp trở kháng hình chữ nhật đƣợc thiết kế chất copper với kích thƣớc mm x mm Ta xác định độ rộng đƣờng truyền vi dải W = 1.526 mm có trở kháng đặc trƣng Z0 = 50 Ω, số điện môi chất εr = 4.4 (FR4- epoxy), chiều cao chất h= 0.8 mm, độ dày lớp đồng t = 0.034 mm 34 Bảng 3.1 Toạ độ kích thƣớc anten Các phần thiết Vật liệu Toạ độ (mm) Kích thƣớc (mm) Đất Copper 0; 0;0 36; 60; 0.034 Điện môi Fr4_epoxy 0; 0; 0.034 36; 75; 0.8 Bức xạ Copper 0; 65; 0.834 5; 10; 0.034 Phối hợp trở Copper 19.77; 60; 0.834 3; 5; 0.034 Copper 20.507; 0; 0.834 1.526; 60; 0.034 Air -100; -100; -100 200; 200; 200 19.77; 0; Y; 3; kế kháng Đƣờng truyền vi dải Không gian xạ Cấp nguồn Hình 3.3 Hình dạng anten thiết kế 35 3.2.4 Kết mơ  Tham số s11 Hình 3.4 Đồ thị S11 Kết tham số S11 đƣợc thể hình 3.4 Từ đồ thị S11 cho thấy anten hoạt động dải tần số từ 860 Mhz - 900 MHz ứng dụng cho mạng GSM dải băng rộng 1700Mhz – 2430Mhz hoạt động mạng DCS, PCS, UMTS, WLAN Lần lƣợt băng thông đạt 40Mhz 730Mhz  Tỉ số sóng đứng điện áp Hình 3.5 Tỉ số sóng đứng điện áp vswr VSWR đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng anten phi Nhìn vào đồ thị ta thấy VSWR tần số 890 Mhz đạt giá trị 1.2, tần số 2000 Mhz đạt giá trị thỏa mãn yêu cầu đặt thiết kế nằm khoảng từ đến  Trở kháng vào Trở kháng ngõ vào anten tỉ số điện áp dòng điện đầu cuối hay tỉ số thành phần thích hợp trƣờng điện sang trƣờng từ Do đó, trở kháng anten đƣợc viết nhƣ sau: ZA = RA + jXA, đó: ZA trở kháng vào anten; RA điện trở anten đầu vào; XA điện kháng anten đầu 36 vào.Trở kháng vào anten đƣợc xác định thông qua đồ thị Smith Hình 3.6 Trở kháng vào dải tần GSM Từ đồ thị smith ta xác định đƣợc trở kháng vào Z = 1.0059 + 1.4272j, trở kháng vào 50 Ohm Hình 3.7 Trở kháng vào dải tần UMTS, WLAN Trở kháng vào Z = 1.0243 + 0.463j, trở kháng vào đạt 51 Ohm 37  Giản đồ xạ 3D Hình 3.8 Giản đồ xạ 3D hệ toạ độ cực tần số 870Mhz Hình 3.9 Giản đồ xạ 3D hệ toạ độ cực tần số 2190Mhz 38 Hình 3.10 Giản đồ xạ 3D hệ toạ độ cực tần số 2400Mhz Từ giản đồ xạ ta thấy, tần số tăng lên giản đồ xạ anten bị bóp méo dần, ảnh hƣởng xạ mặt phẳng đất, nhƣ xạ đƣờng tiếp điện vi dải, nhƣ lệch phối hợp trở kháng tăng lên 39 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, thiết kế ta thấy anten vi dải có ƣu điểm nhƣ kích thƣớc nhỏ dễ gắn lên thiết bị đầu cuối đƣợc ứng dụng nhiều hệ thống thông tin di động Do thời gian ngắn, lực hạn chế nên em cố gắng thiết kế, mô đạt đƣợc số kết thiết thực định nhƣ anten hoạt động dải tần GSM, UMTS, WLAN, tỉ số sóng đứng điện áp vswr đạt yêu cầu.Tuy nhiên khả xạ anten chƣa đƣợc tốt, băng thơng cịn hẹp Hƣớng phát triển đồ án: - Tối ƣu hóa thiết đặt tham số để thu đƣợc kết xác - Làm tăng băng thông thêm Tập trung vào việc điều chỉnh kích thƣớc nhánh cộng hƣởng thứ 1, nghiên cứu chi tiết ảnh hƣởng nhánh điều chỉnh - Lựa chọn phối hợp trở kháng dải rộng khác có đặc tính tốt - Cải thiện đội lợi anten đạt giá trị dƣơng để khả xạ anten đƣợc tốt 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2007 [2] Thiết kế anten Metamaterial, http://xahoihoctap.net.vn Truy cập lần cuối ngày 25/4/2016 [3] Y.J.Wang,C.K.Lee, Design of Dual-Frequency Microstip Patch Antennas and application for IMT2000 Mobile Handsets, University Nanyang Avenue [4] Xu Jing, Zhengwei Du and Ke Gong, Compact Planar Monopole Antenna for Multi-band Mobile Phones, Tsinghua University 41 ... thông cho hệ thống mạng cục không dây WLAN Cùng hƣỡng dẫn giáo vi? ?n Th.s Nguyễn Thị Minh em tiến hành ? ?Thiết kế, Mô anten vi dải băng rộng, đa dải tần sử dụng cho thiết bị di động hoạt động dải tần. .. GSM, UMTS, WLAN, băng tần sử dụng, cấu trúc, đặc trƣng mạng Chƣơng 3: Thiết kế, mô anten vi dải băng rộng đa dải tần hoạt động dải tần GSM, UMTS, WLAN Nội dung chƣơng giới thiệu phần mềm mô anten. .. khuyên Tất anten vi dải đƣợc chia làm loại bản: Anten patch vi dải, dipole vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in Hình 1.6 Các dạng anten vi dải thơng dụng  Anten patch vi dải Một anten patch vi dải bao