3.2.1. Mô hình anten đ xuất
Phần tử anten đơn đƣợc thiết kế sử dụng công nghệ mạch dải, phù hợp với với việc tích hợp vào thiết bị thu phát vô tuyến. Phần tử anten đƣợc in tr n đế điện môi FR4_epoxy có kích thƣớc Ws x Ls x h (mm3) với độ dày h = 1,6 mm, hằng số điện môi tƣơng đối là 4,4. Phía tr n đế điện môi là bức xạ hình chữ nhật có kích thƣớc Wp x Lp (mm2), đối diện b n dƣới tấm bức xạ là mặt phẳng đế có kích thƣớc Ws x Ls (mm2). Anten đƣợc tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải có trở kháng 50 Ω. Chi tiết tham số anten đơn đƣợc biểu diễn ở hình 3.1.
3.2.2. Tính toán lý thuyết
Phần tử anten đơn đƣợc thiết kế để cộng hƣởng ở tần số 3,6 GHz là dải tần thuộc hệ thống thông tin 5G dƣới 6 GHz. Để thiết kế anten vi dải chữ nhật nhƣ mô tả ở hình 3.1, ta dựa vào các thông số: tần số cộng hƣởng và hệ số điện môi của lớp nền. Khi có các giá trị này, các thông số kích thƣớc của anten vi dải chữ nhật sẽ đƣợc tính toán nhƣ sau.
Chiều rộng mặt bức xạ ( )
√ (3.1)
Với,
là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do, = 3.108 m/s là hằng số điện môi tƣơng đối, = 4,4
là tần số cộng hƣởng, = 3,6 GHz
Hằng số điện môi hiệu dụng ( )
Hằng số điện môi hiệu dụng là một thông số quan trọng trong việc tính toán thiết kế anten vi dải. Sóng bức xạ sẽ đi từ mặt phẳng bức xạ xuống mặt phẳng đất một phần qua lớp điện môi, một phần sẽ qua không khí. Lớp điện môi và không khí có hệ số điện môi khác nhau, vì vậy, để giải quyết vấn đề này, ta cần phải tính đƣợc hằng số điện môi hiệu dụng. Giá trị của hằng số điện môi hiệu dụng đƣợc xác định theo công thức [7]:
* + ⁄ (3.2) Chiều dài mặt bức xạ ( )
Hiệu ứng viền sẽ khiến cho chiều dài bức xạ điện của anten sẽ tăng l n một đoạn , đƣợc xác định bằng công thức [7]:
( ) ( )
( ) ( )
(3.3)
Với là độ dày lớp điện môi.
Khi đó, độ dài mặt bức xạ thực của anten sẽ đƣợc xác định theo công thức [7]:
√ (3.4)
Độ dài đoạn lấn sâu (khoảng chèn) của đƣờng tiếp điện
Đây là khoảng lấn của đƣờng tiếp điện vi dải vào mặt phẳng bức xạ để thực hiện phối hợp trở kháng. Độ lấn sâu này đƣợc xác định bằng công thức [7]:
( ) (3.5)
Trong đó, là trở kháng vào nếu anten đƣợc tiếp điện ở rìa mặt phẳng bức xạ, đƣợc xác định bằng công thức [7]:
( ) (3.6)
Với lần lƣợt là điện dẫn của một khe và điện dẫn tƣơng hỗ giữa 2 khe. ∫ [ ( ) ] (3.7) ∫ [ ( ) ] ( ) (3.8)
Trong đó là hàm Bessel loại 1 bậc 0, ⁄ là số sóng.
Việc lấn sâu một đoạn cũng tạo nên 1 khe vật lý hình thành 1 mối nối điện dung, điều này ảnh hƣởng nhỏ đến tần số cộng hƣởng.
Khe lấn sâu thƣờng sẽ đƣợc lựa chọn rất nhỏ và không lớn hơn ⁄ Chiều rộng đƣờng tiếp điện ( )
{ ( ) [ ( ) ]} (3.9) Trong đó: √ (3.10)
Chiều dài đƣờng tiếp điện ( )
(3.11)
ch thƣớc mặt phẳng đất ( )
(3.12)
Từ kích thƣớc tính toán theo lý thuyết tổng hợp ở Bảng 3.1, anten đƣợc mô phỏng sử dụng phần mềm mô phỏng số Ansys Electronics Desktop để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết. Kết quả mô phỏng tần số cộng hƣởng của phần tử anten đơn theo kích thƣớc đã tính toán lý thuyết đƣợc trình bày ở hình 3.1. Quan sát từ hình 3.2 ta thấy anten đơn cộng hƣởng ở tần số 3,64 GHz, nhƣ vậy theo tính toán lý thuyết, anten đạt cộng hƣởng gần với tần số thiết kế 3,6 GHz.
Bảng 3 1: Các tham số tính toán lý thuyết của anten đơn đơn vị: mm)
Ws Wp Wf Linset
34,9 25,3 2,96 7,5
Ls Lp Lf
Hình 3 2: Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đơn theo các ch thƣớc đã t nh toán lý thuyết
3.2.3. Mô phỏng t
Tiếp theo, các kích thƣớc của anten sẽ đƣợc tối ƣu để xác định giá trị mà tại đó anten hoạt động ở tần số thiết kế. Anten đƣợc mô phỏng tối ƣu bằng cách thay đổi giá trị chiều dài tấm bức xạ Lp trong khi các tham số kích thƣớc khác đƣợc giữ cố định. Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của anten đơn với các giá trị Lp khác nhau đƣợc biểu diễn trong hình 3.3. Từ hình 3.3 ta thấy rằng tần số cộng hƣởng của anten đơn có thể dễ dàng điều chỉnh đạt tần số cộng hƣởng thiết kế khi thay đổi giá trị Lp .
(a)
(b)
Hình 3 3: phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị Lp khác nhau khi Linset=8mm:
(a) Lp tha đổi từ 19 mm đến 21 mm với bƣớc nhảy 0,5mm, (b) Lp tha đổi từ 19 mm
đến 19,5 mm với bƣớc nhảy 20 mm
Tuy nhi n, để đạt phối hợp trở kháng tốt, cần tối ƣu vị trí tiếp điện, cụ thể là xác định độ sâu khoảng chèn Linset . Theo lý thuyết anten, khi trở kháng đƣờng tiếp điện và trở kháng vào của anten bằng nhau thì sẽ đạt cộng hƣởng
lý tƣởng. Vì vậy, với trở kháng đƣờng tiếp điện vi dải là 50Ω, ta cần xác định vị trí tiếp điện trên tấm bức xạ mà tại đó trở kháng bằng 50Ω . Với đặc điểm trở kháng lớn nhắt ở các cạnh rìa, giảm dần khi hƣớng về tâm và bằng không tại tâm của tấm bức xạ, độ sâu khoảng chèn sẽ đƣợc khảo sát và tối ƣu.
Hình 3.4 trình bày kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của anten đơn với các độ sâu chèn Linset khác nhau. Từ hình 3.4 cho thấy độ sâu cộng hƣởng của anten thay đổi khi giá trị Linset thay đổi. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết vì khi chiều dài Linset thay đổi, làm cho trở kháng vào anten thay đổi, từ đó làm cho phối hợp trở kháng giữa đƣờng tiếp điện và anten (tấm bức xạ) thay đổi theo. Từ kết quả mô phỏng cho thấy anten đạt phối hợp trở kháng tốt nhất khi Linset = 8 mm.
Hình 3 4: phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị Linset khác nhau
Sau khi tối ƣu phối hợp trở kháng, ta xác định đƣợc giá trị kích thƣớc tối ƣu để anten cộng hƣởng ở tần số thiết kế 3,6 GHz. Từ kết quả mô phỏng ở hình 3.5, anten đạt cộng hƣởng ở tần số trung tâm là 3,6 GHz với băng thông -10dB là 100 MHz và độ sâu cộng hƣởng đạt -31,76 dB.
Hình 3 5: phỏng tối ƣu hệ số phản xạ S11 tại tần số 3,6 GHz
Anten đơn có đ thị bức xạ dạng định hƣớng trong mặt phẳng Theta với hệ số tăng ích đỉnh đạt 3,2 dBi. Kết quả mô phỏng đ thị bức xạ của anten đơn biểu diễn ở hình 3.5. Các tham số kích thƣớc tối ƣu của anten đơn đƣợc biểu diễn ở Bảng 3.2.
(a)
(b)
Hình 3 6: phỏng đồ thị bức xạ của anten đơn tại tần số 3,6 GHz: a Đồ thị bức xạ 2D b Đồ thị bức xạ 3D
Bảng 3 2: Các tham số ch thƣớc tối ƣu của anten
Ws Wp Winset Wf
40 18,13 4 3
Ls Lp Linset Lf
34 19,835 8 14
3.3. Thiết kế anten MIMO 2x2
3.3.1. Mô hình anten I O đầu
Anten MIMO đề xuất g m 2 phần tử anten đơn đã đƣợc tối ƣu ở phần 3.2.3. Hai anten đƣợc đặt song song tr n c ng đế điện môi FR4_epoxy, đƣợc tiếp điện ở 2 cổng độc lập. Mô phỏng tham số tán xạ khi khoảng cách giữa hai phần tử anten đƣợc cố định một khoảng cách D cố định, bao g m hệ số phản xạ tại cổng 1 và 2 là S11 và S22 và hệ số truyền đạt giữa 2 cổng là S12 và S21 sẽ đƣợc thực hiện để khảo sát đặc tính bức xạ của anten MIMO. Cụ thể, từ hệ số truyền đạt có thể đánh giá ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối hoặc độ cách ly cổng bức xạ. Để đảm bảo tƣơng hỗ ghép nối, theo lý thuyết hệ số truyền đạt phải -15 dB.
Trƣớc tiên, hai phần tử anten đƣợc đặt gần nhau với khoảng cách D = 5 mm. Do hai anten có c ng chung đế điện môi, hai tấm bức xạ đặt gần nhau nên bức xạ dòng bề mặt từ anten thứ nhất ảnh hƣởng trục tiếp đến bức xạ của anten thứ hai đặt kề b n. Khi đó, ảnh hƣởng tƣơng hỗ do ghép nối giữa hai phần tử anten này là -12,56 dB, và lớn hơn -15 dB so với mức cho phép. Bên cạnh đó, ảnh hƣởng của bức xạ dòng mặt cũng làm thay đổi tần số cộng hƣởng của anten MIMO so với anten đơn ban đầu.
Hình 3.7: Mô hình anten MIMO 2x2
Hình 3 8: Mô phỏng tham số tán xạ của anten MIMO 2x2
3.3.2. Cấu trúc ký sinh
Để đảm bảo tính cấu hình thấp (kích thƣớc nhỏ gọn) của anten MIMO, các phần tử anten đơn trong hệ MIMO cần đƣợc đặt gần nhau nhằm giảm kích thƣớc chung của anten MIMO. Tuy nhiên, khoảng cách giữa hai phần tử anten đơn trong hệ MIMO ít nhất bằng λ/4 tại tần số cộng hƣởng trung tâm để đảm bảo ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối ở mức cho phép ( ). Vì vậy, để giảm kích thƣớc anten MIMO đ ng thời đạt độ cách ly cổng cao, luận văn đề xuất sử dụng cấu trúc ký sinh vi dải hình chữ C chèn giữa hai tấm bức xạ của 2 anten đơn. Về nguyên lý, cấu trúc ký sinh chữ C sẽ hoạt động nhƣ một
bộ lọc chắn dải, cộng hƣởng ở cùng tần số hoạt động của anten đơn. Khi đó, d ng điện mặt tƣơng hỗ từ phần tử anten này sang phần tử kia sẽ bị giữ lại phần lớn tại cấu trúc ký sinh. Từ đó, ảnh hƣởng dòng mặt từ phần tử anten này sang phần tử anten kia sẽ giảm đáng kể.
Để khảo sát đặc tính chắn dải ở cấu trúc ký sinh chữ C. Mô phỏng dạng bộ lọc với hai cổng 1 và 2. Các hệ số phản xạ tại cổng và hệ số truyền đạt từ cổng 1 sang cổng 2 sẽ đƣợc khảo sát để xác định tần số mà cấu trúc này sẽ giữ lại. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của cấu trúc ký sinh chữ C ở hình 3.8 cho thấy, cấu trúc chữ C hoạt động nhƣ một bộ lọc chắn dải với hệ số truyền đạt S21 đạt cộng hƣởng tại tần số 3.6 GHz.
Hình 3 9: Mô phỏng tham số tán xạ của cấu trúc ký sinh chữ C
3.3.3. Mô hình anten MIMO 2x2 v i cấu trúc ký sinh chữ C
Mô hình anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C đƣợc trình bày ở hình 3.9. Cấu trúc ký sinh là đƣờng vi dải hình chữ C đƣợc đặt đ ng phẳng và chèn giữa hai tấm bức xạ của anten MIMO. Vị trí đặt của cấu trúc chữ C sẽ đƣợc tối ƣu bằng mô phỏng. Kích thƣớc cấu trúc chữ C đƣợc biểu diễn chi tiết trên hình 3.9.
Hình 3 10:Mô hình anten MIMO 2x2 với cấu trúc ký sinh chữ C ch thƣớc ở đơn vị: mm)
Hình 3.10 biểu diễn kết quả mô phỏng các tham số tán xạ của anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C. Quan sát từ kết quả trên ta thấy, anten MIMO đề xuất đạt cộng hƣởng ở tần số trung tâm là 3,6 GHz với hệ số cách ly cổng S21 thấp hơn nhiều so với anten MIMO khi chƣa sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C. Điều này chứng tỏ cấu trúc ký sinh chữ C đã thực hiện lọc và giam giữ thành phần bức xạ dòng mặt gây tƣơng hỗ ghép nối giữa hai phần tử anten đơn đặt kề nhau trong hệ MIMO.
Hình 3 11: Mô phỏng tham số tán xạ của anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C
Hình 3 12: Mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của anten MIMO 2x2 khi không có và có cấu trúc ký sinh chữ C
So sánh kết quả mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của anten MIMO khi không có và có cấu trúc ký sinh chữ C đƣợc trình bày ở hình 3.12. Quan sát kết quả trên ta thấy, anten MIMO khi có cấu trúc ký sinh chữ C giảm đƣợc ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối xấp xỉ 14 dB so với anten MIMO khi không có cấu trúc này.
Hình 3.13 biểu diễn mô phỏng phân bố d ng điện trên anten MIMO không có và có cấu trúc ký sinh. Đối với phần diện tích có mật độ d ng điện phân bố lớn thì sẽ có màu đỏ, cam, còn phần diện tích gần nhƣ không có phân bố d ng điện là màu xanh đậm.
(a) (b)
Hình 3 13: Phân bố d ng điện trên anten MIMO: (a) Không có cấu trúc ký sinh, (b) Có cấu trúc ký sinh
Quan sát hình 3.13 ta thấy, ở trƣờng hợp anten MIMO khi không sử dụng cấu trúc ký sinh (hình 3.13 a), khi anten thứ nhất bức xạ (anten bên trái) thì dòng bức xạ bề mặt ảnh hƣởng lớn đến anten thứ 2, biểu hiện mật độ dòng điện tƣơng hỗ tập trung lớn (phần diện tích màu đỏ, cam). Tuy nhiên, ở trƣờng hợp anten MIMO sử dụng cấu trúc chữ C, ta thấy rằng phần lớn dòng bức xạ mặt từ phần tử thứ nhất sang phần tử thứ hai đã đƣợc chặn và lƣu giữ lại cấu trúc chữ C. Khi đó, mật độ dòng diện tập trung lớn ở phần cấu trúc chữ C và phần lớn diện tích chữ C chuyển màu đỏ nhƣ mô tả ở hình 3.13b. Vì vậy, phần tử anten thứ hai gần nhƣ không bị ảnh hƣởng, biểu hiện là phần diện tích màu xanh đậm ở hình 3.13b. Kết quả mô phỏng phân bố mật độ d ng điện tại tần số 3,6 GHz làm rõ đƣợc hiệu quả của cấu trúc chữ C trong giảm ảnh hƣởng bức xạ dòng mặt lan truyền giữa các phần tử anten đơn.
3.4. Tổng ết chƣơng
Qua chƣơng nay, luận văn cơ bản đã xây dựng đƣợc mô hình anten MIMO 2x2, có hệ số cách ly ( hệ số truyền đạt) cao. Với cấu trúc ký sinh chữ C cơ bản đã cải thiện hệ số truyền đạt trong hệ anten. Phần m m mô phỏng cũng đã đƣa ra đƣợc các tham số tối ƣu ph hợp với các chỉ ti u thiết kế ban đầu.
K T LUẬN
Lý thuyết tổng quan về anten vi dải và anten MIMO đƣợc trình bày ở chƣơng 1 và chƣơng 2 của luận văn. Trong đó, các tham số cơ bản của anten, các phƣơng pháp tiếp điện cho anten vi dải đƣợc tập trung giới thiệu ở chƣơng 1, trong khi đó các nghi n cứu về phƣơng pháp cải thiện độ cách ly cổng giữa các phần tử bức xạ trong hệ MIMO đã đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng 2.
Nội dung thiết kế của luận văn đƣợc trình bày ở chƣơng 3. Cụ thể, một anten vi dải tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải đã đƣợc thiết kế thành công với kích thƣớc nhỏ gọn, hoạt động ở tần số 3,6 GHz. Đây là tần số cho hệ thống thông tin 5G ở dải tần số dƣới 6 GHz. Mô hình anten MIMO 2x2 với hệ số cách ly cổng cao đƣợc thiết kế sử dụng cấu trúc ký sinh vi dải hình chữ C đã cho thấy khả năng cải thiện đáng kể hệ số cách ly so với anten MIMO không có cấu trúc chữ C có c ng kích thƣớc.
HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN:
Mặc d đã thiết kế thành công anten MIMO 2x2 có kích thƣớc nhỏ gọn, hệ số cách ly công cao ở tần số 3,6 GHz, tuy nhiên, một số nội dung cần thực hiện trong thời gian tới để hoàn thiện kết quả nghiên cứu của luận văn:
-Tối ƣu cấu trúc ký sinh để tiếp tục cải thiện độ cách ly cổng khi khoảng cách đặt giữa các phần tử anten đơn giảm nhỏ hơn.
-Chế tạo và đo thực nghiệm các tham số S11 và S21, hệ số tăng ích của anten MIMO 2x2 khi có và không có cấu trúc ký sinh chữ C.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] W. Roh, J. Y. Seol, J. Park et al., Millimeter-wave beamform- ing as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results,” IEEE Communi- cations Magazine, vol. 52, no. 2, pp. 106–113, 2014.
[2] J. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi et al., What will 5G be?,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 32, no. 6, pp.