Ba thụng số cần thiết cho việc thiết kế một anten vi dải hỡnh chữ nhật:
+ Tần số hoạt động (f0): tần số cộng hưởng của anten phải được lựa chọn phự hợp. Cỏc hệ thống thụng tin động toàn cầu (GSM : Global System for Mobile Communications) sử dụng dải tần 890-960Mhz, do đú cỏc anten được thiết kế phải cú khả năng hoạt động trong dải tần này. Tần số cộng hưởng được lựa chọn để thiết kế là 900Mhz.
+ Hệ số điện mụi của lớp điện mụi (εr): vật liệu điện mụi được ỏp dụng cho thiết kế này là FR4 cú hệ số điện mụi bằng 4,5. Sử dụng lớp điện mụi cú hệ số điện mụi cao cú thể giảm kớch thước của anten, tuy nhiờn cỏc mode bức xạ sử dụng chất điện mụi cú hệ số điện mụi cao thỡ cú băng thụng hẹp và hiệu suất thấp.
+ Chiều cao của lớp điện mụi (h): với anten vi dải được sử dụng trong điện thoại di động thỡ điều quan trọng là cỏc anten khụng được quỏ cồng kềnh. Do đú chiều cao của lớp điện mụi ở đõy được chọn là 1,66 mm.
Cỏc thụng số cơ bản của thiết kế là f0 = 900 Mhz; εr = 4,5; h = 1,66 mm. Với yờu cầu kỹ thuật:
Hệ số phản xạ: S11< -9.5dB
Hệ số súng đứng VSWR: 1:2
Phối hợp trở khỏng 50Ω
Độ lợi 3-8 dB
Tần số cộng hưởng 900 MHz sai số ±2% Bước 1: Tớnh chiều rộng của mặt bức xạ
Thay cỏc thụng số cơ bản f0, εr, h vào cụng thức (2.57) ta tớnh được: W = 100,5 mm
Bước 2: Tớnh hệ số điện mụi hiệu dụng εref
Thay W, h, εr vào cụng thức (2.58) ta tớnh được: εreff = 4,35
Bước 3: Tớnh độ dài hiệu dụng của anten
Thay c, f0, εreff vàocụng thức (2.59) ta tớnh được: Leff = 80 mm
Bước 4: Tớnh độ tăng độ dài ∆L
Thay h, W, εreff vào cụng thức (2.60) ta tớnh được:
∆L = 7,7 m
Bước 5: Tớnh độ dài thực của mặt bức xạ
Thay Leff và ∆L vào cụng thức (2.61) ta tớnh được: L = 78 mm
Bước 6: Tớnh kớch thước của mặt phẳng đất (Wg và Lg) Thay h, L, W vào cụng thức (2.62) ta tớnh được:
Wg = 110,5 mm, Lg = 88 mm.
Khi mắc anten vào mỏy phỏt cao tần, anten trở thành tải của mỏy phỏt cao tần, nếu trở khỏng vào của anten khỏc trở khỏng đặc tớnh của đường truyền (khụng phối hợp trở khỏng) thỡ sẽ xuất hiện súng phản xạ, gõy tổn hao năng lượng và mộo dạng tớn hiệu. Do đú, khi tiếp điện cho anten cần phải đảm bảo điều kiện phối hợp trở khỏng giữa anten với đường truyền súng cao tần. Trở khỏng đặc tớnh của cỏp đồng trục thường được chế tạo cú giỏ trị bằng 50Ω, phải xỏc định vị trớ trờn mặt bức xạ cú trở khỏng vào xấp xỉ 50Ω để đạt được điều kiện phối hợp trở khỏng. Sử dụng phần mềm HFSS mụ phỏng cho cỏc vị trớ tiếp điện cú tọa độ y khụng đổi (y=0), tọa độ x biến thiờn từ 0 đến L/2, vị trớ tiếp điện được lựa chọn là vị trớ cú hệ số tổn hao nhỏ nhất. Cỏc vị trớ lựa chọn để mụ phỏng cú tọa độ x lần lượt bằng: (0, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 39 mm)
Mụ hỡnh mụ phỏng HFSS anten vi dải tiếp điện bằng cỏp đồng trục được biểu diễn ở hỡnh 2.18. Trờn hỡnh 2.19 biểu diễn hệ số tổn hao của anten vi dải thụng thường tại cỏc vị trớ tiếp điện khỏc nhau.
Hỡnh 2.19 Hệ số tổn hao ứng với cỏc vị trớ tiếp điện khỏc nhau
Từ hỡnh 2.19 ta cú thể thấy tần số cộng hưởng của anten hầu như khụng thay đổi, và hệ số tổn hao nhỏ nhất khi tiếp điện ở vị trớ cú tọa độ x = 1,5 mm nờn ta chọn vị trớ này để cấp nguồn cho anten. Tần số cộng hưởng của anten được biểu diễn ở dưới hỡnh 2.20.
Hỡnh 2.20 Tần số cộng hưởng của anten vi dải
Tần số cộng hưởng f0 = 900MHz, đạt yờu cầu đặt ra ban đầu của thiết kế (sai số bằng 0 so với sai số cho phộp bằng ±2%). Băng thụng của anten:
Độ rộng của băng thụng vào khoảng 20 Mhz so với 20 kHz là độ rộng một
kờnh trong hệ thống GSM anten hoạt động tốt trong dải tần này.
Hỡnh 2.21 Hệ số súng đứng của anten
Hệ số súng đứng tại tần số cộng hưởng của anten đó thiết kế SWR = 1,12 nằm trong khoảng 1ữ2, do đú đó thỏa món yờu cầu đặt ra.
Hỡnh 2.22 Trở khỏng vào của anten
Trở khỏng vào chuẩn húa của anten là: 0,908 + 0,0564i trở khỏng vào của anten ZA = 50 x (0,908 + 0,0564i) = 45,4 + 2,82i (Ω), gần bằng với trở khỏng đường truyền (50 Ω), thỏa món điều kiện phối hợp trở khỏng.
Hỡnh 2.23 Độ lợi của anten
Hỡnh 2.24 cho thấy độ lợi của anten G = 4,7752e-0,01 nằm trong khoảng 3ữ8, đạt yờu cầu của thiết kế.
2.3.2 Thiết kế và kết quả mụ phỏng anten vi dải giảm nhỏ kớch thước dựng shorting-wall
Bài toỏn đặt ra là thiết kế và mụ phỏng anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting wall hoạt động ở tần số 900MHz trong dải tần số của hệ thống thụng tin di động GSM, bằng vật liệu FR4 PCB với cỏc thụng số của vật liệu như hằng số điện mụi: ε= 4.5 , bề dày vật liệu: h=1.66 mm. Sử dụng cỏc cụng thức tớnh toỏn lý thuyết cho anten vi dải ở cỏc mục 2.1.10 và 2.2.1 ta tớnh được:
L = 39 (mm) và W = 50 (mm).
Hỡnh 2.25 biểu diễn mụ phỏng HFSS giảm nhỏ kớch thước anten vi dải sử dụng shorting-wall.
Hỡnh 2.24 Anten vi dải thu gọn sử dụng shorting-wall
Hỡnh 2.25 Tần số cộng hưởng của anten vi dải thu gọn sử dụng shorting-wall
Hỡnh 2.25 cho ta thấy anten cú tần số cộng hưởng là 905 MHz với sai số 5 MHz và hệ số tổn hao tại vị trớ tiếp điện x = 14,5 mm đạt giỏ trị bộ nhất, S11= - 28,53 dB. Với yờu cầu của thiết kế: tần số cú sai số ±2% và hệ số tổn hao nhỏ hơn -9,5 dB thỡ kết quả mụ phỏng của thiết kế đó đạt được yờu cầu.
Hỡnh 2.26 Hệ số súng đứng của anten vi dải rỳt gọn dựng shorting-wall
Trờn hỡnh 2.26 ta thấy hệ số súng đứng tại tần số cộng hưởng của anten vi dải
rỳt gọn dựng shorting-wall là VSWR 1,08 nằm trong khoảng cho phộp của yờu cầu kĩ thuật của một anten.
Hỡnh 2.27 Trở khỏng vào của anten sử dụng shorting-wall
Trở khỏng vào chuẩn húa của anten là: 1,0026 + 0,075i trở khỏng vào của anten gần bằng 50Ω, thỏa món điều kiện phối hợp trở khỏng.
Từ cỏc kết quả mụ phỏng cho thấy, anten vi dải sử dụng shorting wall cú thể giảm gần 75% diện tớch mặt bức xạ, mà cỏc chỉ tiờu kỹ thuật vẫn đảm bảo yờu cầu.
2.3.3. Thiết kế và kết quả mụ phỏng anten vi dải giảm nhỏ kớch thước dựng shorting-pin
Bài toỏn đặt ra là thiết kế và mụ phỏng anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting pin hoạt động ở tần số 900MHz trong dải tần số của hệ thống thụng tin di động GSM, bằng vật liệu FR4 PCB với cỏc thụng số của vật liệu như hằng số điện mụi: ε = 4.5 , bề dày vật liệu: h = 1.66 mm. Sử dụng cỏc cụng thức tớnh toỏn lý thuyết cho anten vi dải ở cỏc mục 2.1.10 và 2.2.2 ta tớnh được:
L = 26 (mm) và W = 33.5 (mm).
Hỡnh 2.28 biểu diễn mụ phỏng HFSS anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting-pin.
Hỡnh 2.28 Anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting-pin
Hỡnh 2.29 biểu diễn tần số cộng hưởng và hệ số tổn hao của cỏc anten cú vị trớ shorting pin khỏc nhau, vị trớ pin được lựa chọn là vị trớ cú tần số cộng hưởng đạt yờu cầu và hệ số tổn hao bộ nhất. Từ kết quả mụ phỏng, lựa chọn được vị trớ của shorting pin cú tọa độ x=21,45; y=6.
Hỡnh 2.30 Tần số cộng hưởng của anten sử dụng shorting-pin
Theo kết quả mụ phỏng thu được, thỡ tần số cộng hưởng của anten vi dải thu nhỏ sử dụng shorting-pin đó thiết kế là 905MHz với sai số 5Mhz < 2% thỏa món yờu cầu của thiết kế. Hỡnh 2.31, hỡnh 2.32 và hỡnh 2.33 là kết quả mụ phỏng khảo sỏt hệ số súng đứng, trở khỏng vào và độ lợi của anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting pin. Tại tần số cộng hưởng hệ số súng đứng VSWR = 1,03 thuộc giới hạn chỉ tiờu kỹ thuật của anten (1ữ2). Trở khỏng vào chuẩn húa của anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting pin ZA= 1,0057 + 0,0287i, gần bằng 50Ω nờn điều kiện phối hợp trở khỏng được đảm bảo. Độ lợi của anten G = 8,5875e-002 lớn hơn 3 dB, đạt yờu cầu kĩ thuật của thiết kế.
Hỡnh 2.31 Hệ số súng đứng của anten sử dụng shorting-pin
Hỡnh 2.32 Trở khỏng vào của anten sử dụng shorting pin
Từ cỏc kết quả mụ phỏng phớa trờn cho thấy, anten vi dải giảm nhỏ kớch thước sử dụng shorting pin cú thể giảm gần 89% diện tớch mặt bức xạ, cỏc chỉ tiờu kỹ thuật vẫn đảm bảo yờu cầu.
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương 2, đồ ỏn đó trỡnh bày tổng quan về anten vi dải: cấu tạo, hỡnh dạng, cỏc đặc tớnh của anten vi dải, cỏc kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải….; cỏc thiết kế mụ phỏng khảo sỏt cỏc thụng số của anten vi dải hỡnh chữ nhật và một số kĩ thuật thu gọn kớch thước anten vi dải. Trong đú hai kĩ thuật thu nhỏ kớch thước anten sử dụng shorting-wall và shorting-pin đó được giới thiệu chi tiết và được chứng minh qua cỏc kết quả mụ phỏng. Hai kĩ thuật này đó thu gọn kớch thước mặt bức xạ cũng như kớch thước của anten một cỏch đỏng kể đỏp ứng yờu cầu trong thiết kế thu gọn kớch thước của cỏc thiết bị thụng tin di động.
CHƯƠNG III
ANTEN VI DẢI HOẠT ĐỘNG Ở CÁC DẢI TẦN KHÁC NHAU 3.1. Giới thiệu chung
Cỏc hệ thống thụng tin liờn lạc khụng dõy hiện nay sử dụng cỏc tiờu chuẩn vụ tuyến khỏc nhau và hoạt động ở cỏc khoảng tần khỏc nhau. Trong mụi trường dịch vụ hiện nay, cỏc thiết bị đầu cuối hoạt động ở nhiều hệ thống khỏc nhau và hoạt động ở nhiều băng tần cú thể cung cấp dịch vụ tốt hơn cỏc thiết bị đầu cuối chỉ hoạt động ở một băng tần và chỉ ở một hệ thống. Anten hoạt động ở nhiều dải tần khỏc nhau là thành phần quan trọng của cỏc thiết bị đầu cuối đa băng tần.
Núi chung, dường như xu hướng gia tăng số lượng cỏc phần vụ tuyến trong cỏc thiết bị đầu cuối di động là sự gia tăng số lượng của anten hoặc sự gia tăng về chức năng của anten. Anten hoạt động ở nhiều băng tần đó trở nờn phổ biến do những lợi thế mà chỳng mang lại cho thiết kế về tớnh thẩm mỹ của điện thoại di động. Ngày nay đa băng tần gần như là một chuẩn chung cho cỏc thiết bị đầu cuối. Giải phỏp được dựng nhiều nhất là sử dụng cỏc mặt bức xạ hoạt động ở cỏc băng tần khỏc nhau, phương phỏp này cú ưu điểm là cú thể điều chỉnh dễ dàng cho phự hợp với hỡnh dạng của thiết bị cầm tay và cú thể tớch hợp được trong mặt sau của vỏ nờn khi thiết kế vỏ bờn ngoài thiết bị đầu cuối cú thể khụng cần để ý đến anten và tiết kiệm chi phớ khi sản xuất anten.
Cỏc anten hoạt động ở nhiều dải tần khỏc nhau được thiết kế để sử dụng trong cỏc thiết bị đầu cuối của hệ thống thụng tin di động toàn cầu GSM (890-960Mhz), hệ thống thụng tin kỹ thuật số DCS (1710-1880MHz), dịch vụ thụng tin cỏ nhõn PCS (1850-1990MHz), và hệ thống viễn thụng di động toàn cầu UMTS (1920-2170 MHz). Nhiều thiết kế anten cho cỏc thiết bị thụng tin di động được cụng bố gần đõy và được viết lại thành sỏch. Dưới đõy em sẽ trỡnh bày tổng quan về một số kĩ thuật thiết kế anten đa băng tần để minh họa cho sự tiến bộ gần đõy trong lĩnh vực này.
3.2. Anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng cỏc mặt bức xạ cú tần sốcộng hưởng khỏc nhau cộng hưởng khỏc nhau
Một anten vi dải hoạt động ở nhiều băng tần cú thể được tạo ra bằng cỏch ghộp hai hay nhiều anten hoạt động ở cỏc băng tần khỏc nhau mà khụng phõn biệt cỏc loại anten. Nếu giữa cỏc anten thành phần đú được cỏch điện với nhau thỡ chỳng hoàn toàn cú thể hoạt động độc lập và việc thiết kế được đơn giản hơn. Vớ dụ, hỡnh 3.1 dưới đõy cho thấy mặt bức xạ của một anten inverted-F phẳng gồm hai mặt bức xạ riờng biệt cú cỏc kớch cỡ khỏc nhau để đạt được tần số hoạt động ở 900 MHz và 1800 MHz. Nhưng cả hai mặt bức xạ của anten sử dụng hai shorting-pin riờng biệt và hoạt động tương ứng như hai cấu trỳc một phần tư bước súng riờng biệt của từng tần số cộng hưởng (900MHz và 1800MHz).
Hỡnh 3.1 Mặt bức xạ của anten inverted-F phẳng hoạt động ở hai tần số 900MHz và 1800MHz
Anten này sử dụng nguồn cấp dữ liệu kộp (một nguồn cấp cho mặt bức xạ lớn và một nguồn cấp cho mặt bức xạ nhỏ). Nguồn cấp dữ liệu kộp được ứng dụng trong cỏc điện thoại di động cú bộ thu với giao diện kộp. Ngoài ra để đạt được kớch thước nhỏ gọn thỡ một phần của mặt bức xạ lớn được cắt ra để chứa cỏc mặt bức xạ nhỏ.Tương tự như trờn ta cũng cú thể thiết kế một anten hoạt động ở ba dải tần khỏc nhau, hỡnh 3.2 mụ tả mặt bức xạ của anten vi dải hoạt động ở ba tần số 900MHz, 1800Mhz và 2450MHz.
Hỡnh 3.2 Anten vi dải hoạt động ở ba tần số 900MHz, 1800MHz, 2450 MHz
Trờn hỡnh 3.2, mặt bức xạ của anten bao gồm ba mặt bức xạ: mặt bức xạ thứ nhất cho hệ thống GSM hoạt động ở tần số 900 MHz, mặt bức xạ thứ hai cho hệ thống DCS hoạt động ở tần số 1800 MHz, mặt bức xạ thứ ba cho hệ thống WLAN hoạt động ở tần số 2450 MHz và chỳng cũng sử dụng ba shorting-pin khỏc nhau. Ba mặt bức xạ hoạt động như cỏc cấu trỳc một phần tư bước súng và sử dụng chung một nguồn cấp cho ba điểm cấp nguồn. Anten thiết kế sử dụng chung một nguồn cấp cho ba điểm cấp nguồn như vậy được ứng dụng trong cỏc điện thoại di động yờu cầu nguồn cấp dữ liệu riờng biệt hoạt động ở cỏc băng tần GSM, DCS và WLAN.
3.3. Anten vi dải hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng mặt bức xạ cựng vớikhe nhỳng hỡnh chữ U khe nhỳng hỡnh chữ U
Gần đõy thay vỡ sử dụng cắt mặt bức xạ theo hỡnh chữ L thỡ một thiết kế dựng một khe hỡnh chữ U nhỳng vào mặt bức xạ đó được sử dụng (hỡnh 3.3). Trong thiết kế này một mặt bức xạ hỡnh chữ nhật cú kớch thước nhỏ hơn L2 x W2 hoạt động ở tần số 1800 MHz thu được ở trung tõm của mặt bức xạ hỡnh chữ nhật ban đầu cú kớch thước L1 x W1 hoạt động ở tần số 900 MHz. Hai tần số cộng hưởng: thấp (f01) và cao (f02) cú thể xỏc định bằng cỏc cụng thức:
f01 (3.1)
Trong đú c là tốc độ của ỏnh sỏng (c = 3.108 m/s).
Hỡnh 3.3 Mặt bức xạ của anten hoạt động ở hai băng tần với khe nhỳng hỡnh chữ U
3.4. Thiết kế và kết quả mụ phỏng
Phần này trỡnh bày thiết kế và mụ phỏng anten vi dải hoạt động ở nhiều băng tần sử dụng hai phương phỏp đó giới thiệu ở trờn.
3.4.1. Thiết kế và mụ phỏng anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng cỏcmặt bức xạ cú tần số cộng hưởng khỏc nhau mặt bức xạ cú tần số cộng hưởng khỏc nhau
Bài toỏn đặt ra là thiết kế và mụ phỏng anten vi dải giảm hoạt động ở hai dải