Chính vì vậy, các băng tần phổ dụng của truyền thông 4G/5G và 802.11n, ac thường được chọn trong các thiết kế anten đa băng để tăng độ linh hoạt cho thiết bị, đây cũng chính là lý do em cũng lựa chọn các băng tần phổ dụng này cho thiết kế anten trong luận văn của mình.
3.1.2. Lựa chọn công cụ
Đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và chế tạo thiết bị công nghệ điện tử viễn thông ngày càng gia tăng, hàng loạt các công cụ hỗ trợ thiết kế và mô phỏng trong lĩnh vực này ra đời và phát triển mạnh mẽ. Trong đó không thể không kể đến hai phần mềm được sử dụng rộng rãi để thiết kế, mô phỏng anten và mạch phổ biển nhất là Ansoft HFSS và CST MICROWAVE STUDIO. Hai công cụ này có chức năng tương tự nhau tuy nhiên CST MICROWAVE STUDIO với giao diện đồ họa, thân
43
thiện với người sử dụng, cho hình ảnh 2D, 3D đẹp với các hỗ trợ nhanh về tùy chọn thông số, giảm thiểu thời gian thiết kế cũng như tối ưu anten.
Hình 3.2: CST phiên bản miễn phí cho sinh viên
Bên cạnh đó CST có bản miễn phí student-CST với tài liệu hướng dẫn đầy đủ, chi tiết, tạo điều kiện rất lớn cho người học. Chính vì vậy CST là sự lựa chọn của em cho việc chế tạo anten.
44
CST (Computer Simulation Technology) là một phần mềm khá linh hoạt trong thiết kế. Ngay giao diện đầu vào, CST đã giới thiệu rất nhiều các công cụ như: CST MICROWAVE STUDIO, CST EM STUDIO, CST PARTICLE STUDIO… như thể hiện trong hình 3.3.CST cung cấp các giải pháp tính toán hiệu quả chính xác cho việc thiết kế và phân tích. CST còn cho phép lựa chọn các phương pháp thích hợp nhất cho việc thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị hoạt động trong một phạm vi tần số rộng.
CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) là một công cụ chuyên cho các mô phỏng 3D EM của các thành phần tần số cao (HF). CST MWS cho phép phân tích nhanh và chính xác các thiết bị tần số cao như ăng ten, bộ lọc, bộ ghép… CST MWS có giao diện đồ họa trực quan rất thân thiện. Giao diện các phần tử thiết kế và kết quả mô phỏng được sắp xếp dạng hình cây (Navigation Tree) giúp quá trình kiểm tra và so sánh kết quả trực quan và thuận tiện.
Hình 3.4: CST có giao diện làm việc thân thiện và hiệu quả với người dùng
Đặc biệt, CST có chế độ chỉnh sửa theo thời gian bằng công cụ History list.
Với công cụ này, ta có thể thực hiện chỉnh sửa, xóa tạm thời, khôi phục các chi tiết theo thứ thứ tự thiết kế. Điều này đặc biệt hữu dụng khi mẫu anten thiết kế qua nhiều giai đoạn mà không phải thiết kế lại từ đầu.
45
CST không chỉ là phần mềm hỗ trợ công tác nghiên cứu đơn thuần, CST còn là một công cụ được các công ty thiết kế, chế tạo thiết bị kỹ thuật, viễn thông như Viettel Core, Errison,.. tin dùng.
3.2. Thiết kế anten IIoT sử dụng anten vi dải có mặt bức xạ tròn
Luận văn tập trung thiết kế một anten đơn dựa trên kiến trúc anten có mặt bức xạ tròn (một loại hình anten phẳng) để phù hợp cho ứng dụng trong các thiết bị cảm biến hay các thiết bị đầu cuối IIoT có kích thước nhỏ gọn. Do mục tiêu anten này có thể hoạt động trong các dải tần 4G-LTE/ 5G (băng tần 2.6GHz), WiFi (băng tần 5GHz) với kích thước anten nhỏ phù hợp với các thiết kế nhỏ gọn nên anten kết hợp thêm nguyên lý vòng cộng hưởng từ đa băng CSR kết hợp với cấu trúc ring với tiến trình thiết kế được chỉ ra như trong hình 3.5
46
3.2.1. Thiết kế phần tử bức xạ có cấu trúc vòng ring
Chiều dài của phần tử bức xạ có vai trò quan trọng trong việc xác định tần số hoạt động của anten. Vì vậy, để giảm kích thước anten một trong những giải pháp cơ bản là thay đổi chiều dài điện của anten mà không làm thay đổi kích thước tổng thể của phần tử bức xạ. Dựa trên nguyên lý này, anten đề xuất sẽ sử dụng nguyên lý bức xạ mặt những có cấu trúc vòng ring. Điều này vẫn đảm bảo được đặc tính bức xạ của anten nhưng lại tăng chiều dẫn điện dẫn đến anten ring có thể đạt được kích thước nhỏ gọn hơn anten patch tròn truyền thống khi giữ nguyên tần số cộng hưởng.
Để tính bán kính của vòng ring, sử dụng công thức gần đúng cho anten patch tròn như đã được trình bầy trong chương 2 vì chúng có cùng loại trường bức xạ. Đối với chế độ 𝑇𝑀𝑛𝑚, tần số cộng hưởng của anten có thể được đánh giá từ công thức:
𝑓𝑛𝑚 = 𝑋𝑛𝑚𝑐
2𝜋𝑎𝑒√𝜖𝑟 (3.1)
Trong đó c là tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không, 𝑎𝑒 là bán kính hiệu dụng của vòng ring và 𝜖𝑟 là hằng số điện môi của chất nền. 𝑋𝑛𝑚 là chế độ cộng hưởng không thứ m của hàm Bassel bậc n Jn’(ka).
Một số chế độ bậc thấp hơn được liệt kê theo thứ tự tăng dần của các giá trị
𝑋𝑛𝑚 được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Giá trị 𝑿𝒏𝒎Mode (n,m) 𝑿𝒏𝒎 Mode (n,m) 𝑿𝒏𝒎 0,1 0 1,1 1.84118 2,1 3.05424 0,2 3.83171 3,1 4.20119 4,1 5.317 1,2 5.331
47
Từ giá trị của 𝑋𝑛𝑚 cho các chế độ khác nhau, rõ ràng chế độ chiếm ưu thế là chế độ tương ứng với 𝑛 = 𝑚 = 1 sẽ cho anten có bán kính tối thiểu hoặc tần số cộng hưởng thấp nhất. Do đó, chọn chế độ 𝑇𝑀11 để xác định bán kính của vòng (𝑎𝑒) cho tần số cộng hưởng nhất định theo phương trình :
𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + 2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟(ln (𝜋𝑎 2ℎ) + 1.7726)} 1 2 (3.2) Trong đó h là độ dày của chất điện môi, a được tính từ mối quan hệ cơ bản trong phương trình (3.3):
𝑋𝑛𝑚 = 𝑘. 𝑎 (3.3)
Với k được xác định theo :
𝑘 = 2𝜋√𝜖𝑟
𝜆0 (3.4)
3.2.2. Thiết kế đa băng dựa trên vòng cộng hưởng SRR
Để tạo đa băng, thiết kế anten đề xuất sử dụng nguyên lý cộng hưởng từ của vòng cộng hưởng phân chia SRR (Split Ring Resonator).
Một cấu trúc SRR đơn là một cặp vòng kim loại kèm theo phần khe nhỏ chẻ ở hai đầu. Các vòng được làm bằng kim loại và có một khoảng cách nhỏ giữa chúng, trên các vòng kim loại sinh ra dòng điện xoay chiều trong các vòng. Như được chỉ ra trong hình 3.6, do có khoảng cách giữa các vòng nên có thể hỗ trợ các bước sóng cộng hưởng lớn hơn nhiều hơn đường kính của chúng.
48
Các vòng kim loại là chất nền trắng và điện môi có màu xám. Các khe và dòng điện cảm ứng cộng hưởng phía trên và nửa SRR dưới được mô tả như trong hình.
3.2.3. Thiết kế anten
Thiết kế chi tiết của anten đề xuất dược trình bày trong hình 3.7, cấu trúc của anten vòng ring SRR bao gồm 3 phần : miếng patch bức xạ phía trên, mặt đất khuyết và chất nền. Lớp chất nền được làm từ vật liệu FR4 có hằng số điện môi 4.3 và độ dày 1.6 mm, kích thước của anten được tính toán và tối ưu bằng phần mềm CST, được trình bày trong Bảng 3.2. Tổng kích thước của anten đề xuất khá nhỏ gọn, đạt 30𝑥30𝑥1.6 𝑚𝑚3.
Bảng 3.2: Kích thước của anten vòng ring kép tái cấu hình
Tham số Kích thước (mm) Tham số Kích thước (mm)
D 1.5 R1 13.5
Dr1 2.5 R2 6.6
Dr2 1.5 W 30
L 30 Wg 3
Lt 6 Wt 2
(a) Mặt trước (b) Mặt sau
Hình 3.7: (a) (b) Cấu trúc anten tái cấu hình kết hợp vòng ring và trăng khuyết
49
Tham số của anten có có cấu trúc ring SRR đề xuất được mô phỏng và tối ưu bằng phần mềm mô phỏng CST. Trong phần này, các đặc tính của anten như tham số tán xạ S11, mật độ dòng điện và đồ thị bức xạ 2D/3D được phân tích để thể hiện rõ nguyên lý hoạt động cũng như đặc tính của anten đề xuất.
3.3.1. Tham số tán xạ S11
Tham số tán xạ (S11) của anten được thể hiện như trong hình 3.8. Có thể thấy anten đề xuất có thể hoạt động ở ba băng tần với các dải hoạt động là 2.46-2.92 GHz (460 MHz), 3.75-5.83 (2.08 GHz) và 6.22-7.61 GHz (1.39 GHz). Các băng tần này bao gồm một số băng tần 4G LTE như băng tần số 12-14, số 38 và 41 và 5G dưới 10 GHz như băng 3.336 GHz, 3.8-4.2 GHz, 2.4-5 GHz, 6.4-7.25 GHz. Đồng thời băng tần hoạt động của anten cũng bao phủ băng tần 5GHz của công nghệ 5G WiFi.
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng tham số S11của anten đề xuất
3.3.2. Phân tích dòng trên bề mặt của anten
Để giải thích nguyên lý hoạt động, mô phỏng phân bố dòng điện bề mặt được phân tích như chỉ ra trong hình 3.9. Có thể thấy, dòng điện chạy từ đường cấp điện vi dải đến vòng lớn và tập trung vào vòng lớn cũng như tác động một phần lên vòng nhỏ theo nguyên lý công hưởng từ SRR, do đó hiệu suất của anten có thể đạt được chế độ hoạt động đa băng tần.
50
Độ cộng hưởng 2.6 GHz tương ứng với bán kính hiệu dụng hình thành từ rìa trong của vòng lớn và rìa ngoài của vòng nhỏ được tính xấp xỉ trong phương trình (3.5).
𝑓2 = 1.84118 × 3.10
8
2𝜋 × (11 + 6.6) × 10−3 × √4.3= 2.4 (𝐺𝐻𝑧) (3.5)
Cộng hưởng 5.2 GHz được xác định theo cách tương tự. Rõ ràng có thể thấy dòng điện chạy từ đường cấp vi dải đến vòng tròn lớn và cảm ứng từ sang vòng nhỏ, tập trung ở mép ngoài của vòng nhỏ. Bán kính hiệu dụng của anten vòng là 8.1 mm, chịu trách nhiệm cho cộng hưởng ở băng tần này và được tính toán như sau:
𝑓1 = 1.84118 × 3.10
8
2𝜋 × 8.1 × 10−3 × √4.3 = 5.23 (𝐺𝐻𝑧) (3.6)