Bài báo cáo của môn thay thế tốt nghiệp Công nghệ vô tuyến băng rộng của thầy Ngọc THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG Hiện nay việc truyền nhận dữ liệu tầm gần giữa các thiết bị đầu cuối chủ yếu dùng công nghệ Bluetooth. Với việc phát triển lên thế hệ Bluetooth 4.0 đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ dàng ghép đôi các thiết bị với nhau, hiệu năng tiêu thụ thấp. Bluetooth thực sự vẫn là lựa chọn hàng đầu trong công nghệ truyền nhận tầm gần. Chính bởi những tính năng tuyệt vời của Bluetooth , cũng với những thành công và tính ứng dụng cao của anten vi dải, luận văn này đã nghiên cứu và trình bày được thiết kế mẫu anten cho ứng dụng Bluetooth (2.4GHz).
MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI .3 1.1 Giới thiệu anten vi dải 1.2 Đặc tính anten vi dải 1.3 Ưu nhược điểm anten vi dải 1.4 Một số loại anten vi dải 1.4.1 Anten patch vi dải 1.4.2 Anten khe mạch in 1.4.3 Anten vi dải lưỡng cực 1.4.4 Anten vi dải sóng chạy Chương : ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG TRONG THIẾT BỊ DI ĐỘNG 10 2.1 Các kĩ thuật tiếp điện cho anten vi dải: 10 2.1.1 Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải 10 2.1.2 Tiếp điện probe đồng trục 10 2.1.3 Tiếp điện phương pháp ghép khe (Aperture Coupling) 11 2.1.4 Tiếp điện phương pháp ghép gần (Proximity Coupling) 12 2.3 Mơ hình đường truyền .13 2.4 Kỹ thuật mở rộng băng thông 16 2.4.1 Kỹ thuật kích thích đa mode 16 2.4.2 Tăng độ dày chất 17 2.4.3 Kỹ thuật DGS 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI U-SLOT BĂNG RỘNG .19 3.1 Thiết kế anten 19 3.2 Mô thiết lập thông số .21 3.3 Kết mô .23 3.4 Kết luận .25 Tài liệu tham khảo .26 Lời mở đầu Hiện việc truyền nhận liệu tầm gần thiết bị đầu cuối chủ yếu dùng công nghệ Bluetooth Với việc phát triển lên hệ Bluetooth 4.0 đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ dàng ghép đôi thiết bị với nhau, hiệu tiêu thụ thấp Bluetooth thực lựa chọn hàng đầu cơng nghệ truyền nhận tầm gần Chính tính tuyệt vời Bluetooth , với thành cơng tính ứng dụng cao anten vi dải, luận văn nghiên cứu trình bày thiết kế mẫu anten cho ứng dụng Bluetooth (2.4GHz) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 Giới thiệu anten vi dải Anten vi dải (microstrip antenna) ý nghiên cứu phát triển từ năm 1970, thiết kế mơ hình lý thuyết xuất từ năm 1950 Ngày nay, anten vi dải xuất hầu hết lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, thiết bị thông tin truyền thông Đây loại anten có khối lượng kích thước nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc đơn giản, rẻ tiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in Ngồi ra, anten loại cịn có linh hoạt tần số cộng hưởng, khả phân cực tuyến tính với kỹ thuật cấp nguồn đơn giản, đường cấp nguồn mạch phối hợp trở kháng thực đồng thời với việc chế tạo anten Tuy nhiên, anten dạng có số nhược điểm như: hiệu xuất thấp (do suy hao điện mơi điện dẫn), khả tích trữ công suất thấp, ảnh hưởng xạ nguồn nuôi (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải…), băng thơng hẹp (khoảng vài phần trăm), hầu hết xạ khơng gian phía mặt phẳng đất, số loại có độ lợi thấp… Anten vi dải ứng dụng dải tần GHz (f > 0.5 GHz) Đối với tần số thấp kích thước anten trở nên lớn 1.2 Đặc tính anten vi dải Anten vi dải hay gọi anten mạch vi dải có kích thước nhỏ chế tạo mạch in Thực chất anten vi dải dạng anten có kết cấu xạ kiểu khe Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm phần mặt kim loại (patch) đặt lớp điện môi (dielectric substrate) phận tiếp điện Cấu trúc điển hình phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật cho hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc phần tử anten vi dải hình chữ nhật Các thơng số cấu trúc phần tử anten vi dải chiều dài L, chiều rộng W, bề dày kim loại t, độ dẫn điện kim loại σ , chiều dày lớp điện môi h, số điện môi ε , suy hao tiếp tuyến (loss tangent) lớp điện môi tan(δ ) Bản kim loại mỏng, nhỏ nhiều so với bước sóng truyền khơng gian tự (t >1, , đường sức điện tập trung đa phần lớp điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng sử dụng để hiệu chỉnh phần ảnh hưởng hiệu ứng viền sóng đường truyền Giả sử tâm dẫn đường truyền vi dải với kích thước chiều cao mặ phẳng đất ban đầu đưa vào lớp điện mơi đồng có số điện môi tiến tới giá trị số điện môi Ở tần số thấp, số điện môi hiệu dụng bản, tần số tăng số điện môi hiệu dụng tiến tới giá trị số điện môi chất Hằng số điện mơi hiệu dụng tính theo cơng thức sau: với (2.1) Chiều dài hiệu dụng , tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng Trong mặt phẳng Oxy hiệu ứng viền , kích thước patch anten vi dải mặt điện lớn so với kích thước vật lí Do chiều dài điện patch vượt trội so với chiều dài vật lí khoảng phía tính theo cơng thức: (2.2) Khi chiều dài patch lúc là: 13 Hình 2.6: Chiều dài patch mở rộng hai phía Giả sử, mode ưu TM010 tần số cộng hưởng anten vi dải hàm chiều dài: (2.3) Với v0 vận tốc ánh sáng không gian tự Do hiệu ứng viền, nên công thức thay bằng: (2.4) với Hệ số q hệ số suy giảm chiều dài Khi độ dày lớp điện môi tăng, hiệu ứng viền tăng dẫn đến khác biệt xạ rìa tần số cộng hưởng thấp Điện dẫn: Anten gồm hai khe xạ khe diễn tả dẫn nạp Y (với điện dẫn G điệp nap B), ho khe với bề rộng hữu hạn: ; (2.5) ; (2.6) Hai khe xem đồng nhất, dẫn nạp tương đương : Điện dẫn khe đơn có phân tích trường theo mơ hình cộng hưởng (2.7) Với công suất xạ: (2.8) Do đó, điện dẫn G biểu diễn lại: (2.9) Trở kháng vào tần số cộng hưởng Do hiệu ứng viền khoảng cách hai khe < , dẫn nạp khe là: (2.10) Dẫn nạp trở kháng vào cộng hưởng là: Trong thực tế , hai khe có ảnh hưởng qua lại lẫn biểu diễn điện dẫn tương hỗ đó: (2.11) Với dấu “+” tương ứng với mode lẻ, dấu “-“ tương ứng với mode chẵn (2.12) Hàm J0 hàm Bessel loại bậc Hình biểu diễn thay đổi vị trí điểm feed trở kháng chuẩn hoá ngõ vào điểm feed dịch chuyển theo trục y dọc theo đường truyền: 14 Hình 2.7 : Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp Với đường feed vi dải có trở kháng đặc tính Zc (2.13) W0 chiều rộng đường feed, ngõ vào ứng với vị trí chèn tương ứng cho công thức: (2.14) Thường phối hợp trở kháng với điện trở 50 Ohm nên độ dài inset feed là: (2.15) 2.4 Kỹ thuật mở rộng băng thơng 2.4.1 Kỹ thuật kích thích đa mode Việc sử dụng số chế độ cộng hưởng cách tiếp cận thành công việc thiết kế anten vi dải băng rộng Ý tưởng phương pháp sử dụng cộng hưởng, ghép hai hay nhiều cộng hưởng điều chỉnh để bao phủ toàn dải tần khảo sát Phương pháp sử dụng cho hình dạng khác anten vi dải, thành phần cộng hưởng ghép sát với thành phần cộng hưởng khác, việc ghép sát điều khiển để tăng băng thông Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần xạ xếp chồng Hình 2.8 mơ tả anten vi dải với patch xếp chồng, patch bên tiếp điện connector đồng trục đường vi dải, patch bên ghép sát với patch bên dưới, để thu tần số cộng hưởng khác chút kích thước patch phía khác kích thước patch bên 15 Hình 2.8: Anten vi dải xếp chồng tiếp điện ghép khe Ta điều chỉnh số tham số độ dày d d2 chất nền, số điện môi , độ lệch tâm miếng patch, kích thước miếng patch vị trí tiếp điện cho ứng dụng khác Cấu hình anten với patch xếp chồng có đặc điểm: - Xếp chồng patch khơng làm tăng diện tích bề mặt phần tử so với phần tử ký sinh đồng phẳng, phần tử xếp chồng sử dụng cấu trúc mảng mà không cần tăng khoảng cách patch giải vấn đề thuỳ lưới liên quan - Các xạ tâm pha phần tử xếp chồng đối xứng dải hoạt động Mở rộng băng thông sử dụng thành phần kí sinh đồng phẳng: Phương pháp ghép gần patch đồng phẳng có tần số cộng hưởng có chênh lệch chút Chỉ có patch (patch điều khiển) tiếp điện patch khác ghép khe trực tiếp với patch điều khiển Phương pháp sử dụng thành phần ký sinh đồng phẳng có nhược điểm diện tích bề mặt tăng lên, giản đồ xạ tâm pha biến đổi rõ rệt theo tần số, đặc biệt thiết kế băng thông rộng 2.4.2 Tăng độ dày chất Phương pháp tăng độ dày chất hiệu với anten có độ dày chất Băng thơng gần tăng tuyến tính độ dày chất tăng Phương pháp nhiều hạn chế: - Cơng st sóng bề mặt tăng làm giảm hiệu suất xạ - Chất có độ dày 0.11 khó phối hơp trở kháng - Chất dày tạo mode bậc cao dọc theo chiều dày chất gây méo giản đồ xạ 16 2.4.3 Kỹ thuật DGS Kỹ thuật DGS (Defected ground structure: cấu trúc mặt phẳng đất khiếm khuyết) kỹ thuật sửa đổi mặt phẳng đất thực việc đưa hình dạng khuyết thiếu vào mặt phẳng đất làm xáo trộn phân bố dòng mặt phẳng đất , làm thay đổi đặc tính đường truyền Một số cấu trúc sử dụng phổ biến thể hình Các mẫu DGS có khác hình dạng, mạch tương đương LC, hệ số ghép nối, đáp ứng tần số thơng số khác Mặc dù hình dạng khuyết thiếu thêm vào làm tính thống mặt phẳng đất không làm mặt phẳng đất bị lỗi Ứng dụng DGS anten vi dải: DGS ứng dụng rộng rãi thiết kế mạch vi dải, đặc biệt cho thiết kế nhỏ gọn anten vi dải DGS hiệu việc cải thiện suy hao phản xạ tần số cộng hưởng, cải thiện băng thông đường truyền, giảm kích thước anten, giảm sóng hài, phân cực chéo giảm ảnh hưởng ghép tương hỗ Hình 2.9 Một số khuôn mẫu DGS Các cấu trúc thường sử dụng dạng chữ I, chữ L, chữ H, dạng hình tạ dạng hình DGS phức tạp có chu kỳ Các yêu cầu thiết kế cấu trúc DGS: - Thiết kế không làm thay đổi tần số làm việc anten - Anten sau cải thiện băng thơng có băng thơng mở rộng hai phía tần số cộng hưởng - Cấu trúc DGS có tính đối xứng cao theo chiều ngang để không làm méo cấu trúc phát xạ anten - Hiệu là: tăng băng thông,tăng độ lợi 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI USLOT BĂNG RỘNG 3.1 Thiết kế anten 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 1.86-2.48 GH Anten đặt lớp điện môi với độ dày h Những thông số thể rõ ràng qua Bảng 3.1 sau: Bảng 3.1: Các thông số cho trước để thiết kế anten Tần số hoạt động Hằng số điện môi lớp điện môi ( εr) Độ dày lớp điện môi (h) Phương thức cấp nguồn Phối hợp trở kháng 1.86 - 2.48 GHz 2.2 (Neltec NY9220) 1.6 mm Dùng đường truyền vi dải Inset feed line 18 Hình 3.1 Mơ hình anten vi dải U-slot Dựa vào cơng thức tính tốn thơng 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) Tần số cộng hưởng cho chế độ cho bởi: (3.4) Sau tính tốn ta thơng số bảng sau: Bảng 3.2: Các thông số anten vi băng rộng thiết kế 19 3.2 Mô thiết lập thông số 20 Hình 3.2: Mơ hình 3D anten vi dải 21 Hình 3.3: Thiết lập thơng số cho patch lớp điện mơi 22 3.3 Kết mơ Hình 3.4: Đồ thị độ suy hao (return loss) anten Hình 3.5: Đồ thị tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR) anten 23 Hình 3.6: Đồ thị xạ 2D anten Hình 3.7: Đồ thị xạ 3D anten 24 3.4 Kết luận Trong chương ta trình bày việc tính tốn thơng số kích thước anten thực việc mô anten vi dải U-slot phần mềm Ansoft ANSYS HFSS đưa kết mô hệ số phản xạ VSWR với tần số để làm tiêu chí đánh giá băng thơng anten vi dải U-slot bất đối xứng có băng thông hoạt động từ 1.86 đến 2.48 GHz Để đáp ứng cho ứng dụng khơng dây là: Wimax hoạt động 2.3 GHz, WiFi hoạt động từ 2.4 GHz đến 2.48 GHz, WCDMA 3G hoạt động dải tần số từ 1.92 GHz đến 1.98 GHz, 2.11 GHz đến 2.17 GHz cho vài băng tần LTE là: băng tần LTE TDD số 33 (từ 1.9 – 1.92GHz), số 34 (từ 2.01 -2.025 GHz), số 36 (từ 1.93–1.99GHz),số 37 (từ 1.91 – 1.93GHz), số 39 (từ 1.88 – 1.92 GHz) 25 Tài liệu tham khảo Đào Quý Thái An, Trần Thị Mỹ Hạnh, Tìm hiểu cơng nghệ Bluetooth viết ứng dụng minh họa, Luận văn cử nhân tin học,trường đại học khoa học tự nhiên, 2005 Lê Hữu Phúc, Hồ Thiền Luận, Mô đánh giá anten vi dải với cấu trúc DGS cho thiết bị Bluetooth lượng thấp Wang Junjun, Antenna Theory and Desgin.6-2011 https://www.pasternack.com/t-calculator-microstrip-ant.aspx https://www.viethung-idt.com.vn/?a=news&newsid=125 26 ... trúc phát xạ anten - Hiệu là: tăng băng thông,tăng độ lợi 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI USLOT BĂNG RỘNG 3.1 Thiết kế anten Ta đặt toán thiết kế sau: Thiết kế anten vi dải hình chữ... bị lỗi Ứng dụng DGS anten vi dải: DGS ứng dụng rộng rãi thiết kế mạch vi dải, đặc biệt cho thiết kế nhỏ gọn anten vi dải DGS hiệu vi? ??c cải thiện suy hao phản xạ tần số cộng hưởng, cải thiện băng. .. cao anten vi dải, luận văn nghiên cứu trình bày thiết kế mẫu anten cho ứng dụng Bluetooth (2.4GHz) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 Giới thiệu anten vi dải Anten vi dải (microstrip antenna)