Các tần số cộng hưởng của khoang tròn cũng là tần số cộng hưởng của anten microstrip có mặt bức xạ tròn có thể được tính toán gần đúng thông qua công thức (2.4a)-(2.4f). Vì đối với hầu hết các anten microstrip điển hình, chiều cao h của vật liệu điện môi thường rất nhỏ là rất nhỏ (thường h <0,05λ0) vì vậy các trường dọc theo phương z về cơ bản là không đổi và được xác định theo (2.4f) với p = 0 và trong (2.4c) với kz = 0. Do đó tần số cộng hưởng tại chế độ TMz
mn0 có thể được tính gần đúng như sau: (𝑓𝑟)𝑚𝑛0 = 1 2𝜋√𝜇𝜖( 𝑥′𝑚𝑛 𝑎 ) (2.6)
Dựa trên các giá trị được xác định trong (2.5), bốn chế độ hoạt động đầu tiên, theo thứ tự tăng dần, là TMz 110, TMz 210, TMz 010, vàTMz 310.Tần số cộng hưởng trong chế độ TMz
110 được xác định gần đúng theo công thức:
(𝑓𝑟)110 = 1.8412 2𝜋𝑎√𝜇𝜖 =
1.8412
2𝜋𝑎√∈𝑟 (2.7)
trong đó υ0 là tốc độ truyền ánh sáng trong không gian.
Tần số cộng hưởng được xác định trong (2.7) chưa tính đến ảnh hưởng của đường viền. Như được phân tích trong phần 2.1 cho anten vi dải có mặt bức xạ hình chữ nhật, đường viền làm cho miếng patch trông lớn hơn về mặt điện và vì thế cần hiệu chỉnh độ dài bởi hệ số cho trước. Tương tự như vậy đối với miếng patch hình tròn, để tính toán gần đúng được tần số cộng hưởng của anten, cần phải sử dụng tham số hiệu chỉnh với bán kính hiệu dụng ae được dùng để thay thế cho bán kính thực tế a. Bán kính hiệu dụng này được xác định theo công thức:
𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + 2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟[ln (𝜋𝑎 2ℎ) + 1.7726]} 1/2 (2.8) Do đó tần số cộng hưởng trong chế độ TMz
35
(2.7) sẽ được hiệu chỉnh theo công thức sau:
𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + 2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟[ln (𝜋𝑎 2ℎ) + 1.7726]} 1/2 (2.9) 2.4.2. Bán kính bức xạ
Dựa trên mô hình khoang, để có thể thiết kế được anten có mặt bức xạ tròn, cần xác định được bán kính thực tế của miếng bức xa dựa trên các tham số yêu cầu của thiết kế bao gồm: hằng số điện môi của chất nền (Ir), tần số cộng hưởng (fr) và chiều cao của chất nền h. Giả thiết tính toán này được thực hiện trong chế độ TMz110. Các thủ tục giả định rằng thông tin được chỉ định bao gồm các thủ tục như sau:
Cách thức xác định: Tính toán gần đúng a để tìm ra ae dựa trên công thức (2.8) và (2.9). 𝑎 = 𝐹 {1 + 2ℎ 𝜋𝜖𝑟𝐹[ln (𝜋𝐹 2ℎ) + 1.7726]} 1 2 (2.10) Trong đó: 𝐹 =8.791 × 10 9 𝑓𝑟√𝜖𝑟 (2.11)
Đơn vị tính của h trong (2.10) phải tính bằng cm
Ví dụ: Thiết kế một anten vi dải tròn sử dụng chất nền (RT/duroid 5880) với chất điện môi hằng số 2,2, h = 0,1588 cm (0,0625 in.) để cộng hưởng ở tần số 10 GHz. Giải pháp: Sử dụng công thức tính: 𝐹 = 8.791 × 10 9 10 × 109√2.2 = 0.593 Do đó sử dụng (2.10) 𝑎 = 𝐹 {1 + 2ℎ 𝜋𝜖𝑟𝐹[ln (𝜋𝐹 2ℎ) + 1.7726]} 1 2 = 0.525 𝑐𝑚(0.207 𝑖𝑛. )
36
kế anten trong chương 3.
2.4.3. Mật độ dòng tương đương và trường bức xạ
Như đã được thực hiện đối với mặt bức xạ hình chữ nhật bằng cách sử dụng mô hình khoang, các trường bức xạ thu được từ mặt bức xạ hình tròn có thể được xác định theo cách tương đương, theo đó thành chu vi của khoang được thay thế bằng mật độ dòng điện từ tương đương như hiển thị Hình 2.6. Dựa trên công thức (2.3) và (2.5) với điều kiện sử dụng phân bố chế độ TMz110, các trường điện và từ trong khoang được xác định như sau:
𝐸𝜌 = 𝐸∅ = 𝐻𝑧 = 0 (2.12a) 𝐸𝑧 = 𝐸0𝐽1(𝑘𝜌′)𝑐𝑜𝑠∅′ (2.12b) 𝐻𝜌 = 𝑗 𝐸0 𝜔𝜇0 1 𝜌𝐽1(𝑘𝜌′)𝑠𝑖𝑛∅′ (2.12c) 𝐻∅ = 𝑗 𝐸0 𝜔𝜇0𝐽1 ′(𝑘𝜌′)𝑐𝑜𝑠∅′ (2.12d)
trong đó = ∂/∂ρ và Ø/ là góc phương vị dọc theo chu vi của miếng bức xạ.
Dựa trên (2.12b) có thể xác định được chiều dài điện tương đương của miếng bức xạ hình tròn (ρ/ = ae), do đó mật độ dòng điện từ có thể được tính toán như sau:
𝑀𝑠 = −2𝑛̂ × 𝐸𝑎|𝑝′=𝑎𝑒 = 𝑎̂𝜙2𝐸0𝐽1(𝑘𝑎𝑒)𝑐𝑜𝑠𝜙′ (2.13) Vì chiều cao của bề mặt rất nhỏ và mật độ dòng điện tính theo (2.13) là đồng đều dọc theo hướng z, chúng ta có thể xác định gần đúng dòng từ trường như sau:
𝐼𝑚=ℎ𝑀𝑠 = 𝑎̂𝜙2ℎ𝐸0𝐽1(𝑘𝑎𝑒)𝑐𝑜𝑠𝜙′ = 𝑎̂𝜙2𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜙′ (2.13a) Trong đó V0 = hE0J1(kae) tại Ø/= 0.
Sử dụng công thức (2,13a), anten microstrip có thể được coi như một vòng lặp do đó phương trình bức xạ ta có thể xác định như sau:
𝐸𝑟 = 0 (2.14a) 𝐸𝜃 = −𝑗𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒 −𝑗𝑘0𝑟 2𝑟 {𝑐𝑜𝑠𝜙𝐽 ′ 02} (2.14b) 𝐸𝜃 = 𝑗𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒 −𝑗𝑘0𝑟 2𝑟 {𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙𝐽02} (2.14c)
37
𝐽′02 = 𝐽0(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) − 𝐽2(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) (2.14d)
𝐽02= 𝐽0(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) + 𝐽2(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) (2.14e)
Hình 2.6: Mô hình lỗ trống và mật độ dòng điện từ tương đương cho anten microstrip
bức xạ tròn
Trong đó ae bán kính hiệu dụng như đã cho (2.10). Các trường trong các mặt phẳng chính được xác định như sau:
E-plane (𝝓 = 𝟎°, 𝟏𝟖𝟎°, 𝟎°≤ 𝜽 ≤ 𝟗𝟎°) 𝐸𝜃 = 𝑗𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒 −𝑗𝑘0𝑟 2𝑟 [𝐽02 ′ ] (2.15a) 𝐸 = 0 (2.15b) H-plane (𝝓 = 𝟗𝟎°, 𝟐𝟕𝟎°, 𝟎° ≤ 𝜽 ≤ 𝟗𝟎°) 𝐸𝜃 = 0 (2.15a) 𝐸 = 𝑗𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒−𝑗𝑘0𝑟 2𝑟 [𝑐𝑜𝑠𝜃𝐽02] (2.15b) Các trường này được tính toán cho anten có mặt bức xạ hình tròn trong ví dụ của mục 2.4.2 với diện tích mặt phẳng đất là15 cm x 15 cm.
2.4.4. Độ định hướng
Độ dẫn phụ thuộc vào công suất bức xạ và khả năng định hướng của anten vi dải có mặt bức xạ tròn và có thể được xác định bằng cách sử dụng các định nghĩa tương ứng của chúng. Dựa trên các trường củamô hình khoang có thể được xác định như sau: 𝑃𝑟𝑎𝑑 = |𝑉0|2(𝑘0𝑎𝑒)2 960 ∫ [𝐽02 ′2 + 𝑐𝑜𝑠2𝜃 𝜋 2⁄ 0 𝐽022 ]𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃 (2.16)
38
(a)Mặt phẳng E (b)Mặt phẳng H
Hình 2.7: Bức xạ của anten patch tròn
Hình 2.7 thể hiện kết quả đo và tính toán (dựa trên phương pháp momen trong mô hình khoang. Các giản đồ bức xạ của anten trên mặt phẳng E và H của anten có mặt bức xạ tròn với các thông số thiết kế a = 0,525 cm, ae = 0,598 cm, ρf = 0,1cm, €r = 2,2, h = 0,1588 cm, f0 = 10 GHz, λ0 = 3 cm.
Độ dẫn trong chất điện môi giữa mặt phẳng bức xạ và mặt phẳng đất tại Ø/= 0 được xác định như sau:
𝐺𝑟𝑎𝑑 =(𝑘0𝑎𝑒)2 480 ∫ [𝐽02 ′2 + 𝑐𝑜𝑠2𝜃 𝜋 2⁄ 0 𝐽022 ]𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃 (2.17) 2.4.5. Trở kháng đầu vào
Trở kháng đầu vào được định nghĩa là trở kháng của anten tại các đầu cấp nguồn hoặc tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại một cặp cấp nguồn hoặc tỷ số của các thành phần của điện trường và từ trường tại một điểm. Nếu trở kháng vào là một số thực, tức là dòng điện sẽ cùng pha với điện áp. Trở kháng vào ảnh hưởng đến suy hao và hiệu suất nên khi tính toán thiết kế phải đặc biệt lưu ý đến tham số này. Ngoài ra trở kháng vào cũng phụ thuộc và tần số.
Khi xem xét một anten vi dải patch tròn được cung cấp bởi tiếp điện cáp đồng trục. Điểm tham chiếu được lấy tại tâm với Ø/=00, trở kháng đầu vào tại
39
khoảng cách ’=0 tính từ tâm miếng patch, được xác định như sau:
(2.18) Trong đó Gt là độ dẫn tổng được xác định theo công thức:
(2.19) Grad được xác định trong công thức (2.17), Gc và Gd được xác định như sau:
(2.20)
(2.21) Sự phụ thuộc của độ dẫn điện và trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng của anten được minh họa trực quan hơn thông qua đồ thị được thể hiện trên hình 2.8 và 2.9.
Hình 2.8: Sự phụ thuộc của độ dẫn điện theo bán kính hiệu dụng của anten patch
40
Hình 2.9: Sự phụ thuộc của trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng của anten
patch tròn trong chế độ TMz110
2.5. Kết luận chương 2
Chương 2 đã tìm hiểu tổng quan về anten vi dải bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sóng trong cấu trúc của anten vi dải. Đồng thời cũng phân loại anten vi dải theo cấu trúc anten và hình dáng bức xạ. Bên cạnh đó nội dung về tính chất điện và từ, cấu trúc của anten vi dải có mặt bức xạ tròn cũng được giới thiệu cùng với các tham số thiết kế anten làm cơ sở bước vào chương 3 Thiết kế anten vi dải có mặt bức xạ tròn ứng dụng cho IIoT.
41
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN CHO ỨNG DỤNG IIoT
3.1. Đặt vấn đề
Như đã giới thiệu trong chương 1, kỷ nguyên mới với vạn vật kết nối Internet (IoT) đã tạo ra những thay đổi mạnh mẽ trong đời sống xã hội. IoTcó thể kết nối mọi đối tượng với Internet thông qua hệ thống cảm biến không dây và trao đổi dữ liệu đó thông qua các hạ tầng truyền thông khác nhau. Anten sử dụng nguyên lý bức xạ tròn kết hợp đặc tính vòng cộng hưởng từ để tạo đa băng, có thể điều chỉnh tần số hoạt động theo chuẩn truyền thông mong muốn đã, đang và vẫn ngày càng thu hút thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước cho các ứng dụng khác nhau, đặc biệt trong truyền thông IIoT. Các nghiên cứu về anten sử dụng nguyên lý bức xạ tròn kết hợp đặc tính vòng cộng hưởng từ để tạo đa băng đã được công bố trên các tạp chí khoa học có uy tín trên thế giới. Trên xu hướng phát triển đó, phần tiếp theo đề tài sẽ đề xuất một cấu trúc anten sử dụng nguyên lý bức xạ tròn kết hợp đặc tính vòng cộng hưởng từ SRR ứng dụng cho IIoT.
3.1.1. Lựa chọn công nghệ
Như đã trình bầy trong chương 1, IIoT bao phủ miễn truyền thông từ máy móc đến máy móc (machine to machine) cùng như truyền thông IoT cho công nghiệp với công nghệ truyền thông có thể tuân theo chuẩn công nghiệp như WirelessHART, ISA.100.11a hay theo chuẩn truyền thông như 802.11n, ac, 4G/5G,…. Sự khác nhau về công nghệ truyền thông đã dẫn tới các thiết biết IIoT có thể hoạt động ở các tần số khác nhau. Điều này dẫn tới yêu cầu anten đa băng, đáp ứng đa công nghệ cho thiết bị IIoT nhằm làm tăng độ linh động cho các thiết bị IIoT khi triển khai trên thực tế.
Cũng như đã được phân tích trong chương 1, công nghệ truyền thông đi động 4G/5G ngày nay không chỉ có thuận lợi về vùng phủ sóng, gia tăng khoảng cách thu thập thông tin cho các thiết bị mà còn không bị giới hạn về tốc độ cũng như băng thông như trước đây. Bên cạnh đó, công nghệ 5G 802.11n, ac tuy hạn chế về khoảng cách nhưng với việc được phổ biến rộng rãi, sóng WiFi gần như có mặt tại
42
khắp mọi nơi không chỉ trong đời sống sinh họat thường ngày của con người như trong nhà, trong văn phòng, trong khu thương mại, … tạo nên tòa nhà thông minh, thành phố thông minh mà còn hiện hữu trong cả các khu công nghiệp tạo nên các nhà máy thông minh, khu sản xuất thông minh.
Hình 3.1: Truyền thông 4G/5G trong công trường thông minh
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).