Ngày nay, anten mạch dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh cực, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ, hàng không, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây là loại anten có kích thƣớc nhỏ gọn, phù hợp với mọi loại hình dạng, đơn giản và rẻ tiền nhờ sử dụng công nghệ mạch in. Tuỳ theo cấu tạo khác nhau để có đƣợc sự linh hoạt về tần số cộng hƣởng, độ phân cực, kiểu bức xạ, trở kháng làm việc…
Tuy nhiên, nhƣợc điểm của loại anten này là công suất thấp, ảnh hƣởng bức xạ nguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một vài phần trăm). Ta có thể nâng hiệu suất bằng cách tăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thể tăng 35%. Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảm công suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờ giới hạn bởi lớp điện môi và lớp đế, làm giảm đặc tính phân cực, phát xạ của anten. Sóng này có thể loại trừ mà vẫn giữ đƣợc dải tần rộng nếu sử dụng phƣơng pháp hốc cộng hƣởng.
3.2.3. Tính toán kích thƣớc phát xạ hình chữ nhật của anten vi dải
Quay lại cấu trúc anten có mặt phát xạ hình chữ nhật nhƣ hình 3.9. Giả thiết mặt phát xạ có kích thƣớc dài là L; rộng là W. Mặt phát xạ đƣợc đặt trên vật liệu có hằng số điện môi εR và độ dày h. Tần số cộng hƣởng của anten là fo. Khi đó, các giá trị L và W dự đoán bằng công thức thực nghiệm sau:
- Bƣớc 1: Tính độ rộng W:
- Bƣớc 2: Tính giá trị hằng số điện môi hiệu dụng εeff:
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
Chƣơng này tập trung vào việc thiết kế một anten mạch dải có dải tần số hoạt động phù hợp với các thiết bị thông di động thế hệ 3G/4G đang hoạt động tại Việt Nam. Anten đƣợc thiết kế, mô phỏng bằng phần mềm HFSS. Mẫu anten đƣợc chế tạo trên vật liệu Fr4, đƣợc đo đạc và so sánh với kết quả mô phỏng.
Lƣu đồ thực hiện bài toán đƣợc đề xuất nhƣ sau:
Bài toán thiết kế đƣợc đề xuất thực hiện theo lƣu đồ gồm 7 bƣớc: - Xác định yêu cầu bài toán
- Đề xuất lựu chọn thiết kế - Thiết kế và mô phỏng - Đánh giá kết quả mô phỏng
- Nếu kết quả mô phỏng chƣa đạt yêu cầu, tiến hành điều chỉnh thiết kế và quay lại mô phỏng
- Nếu kết quả mô phỏng đạt, tiến hành chế tạo mẫu anten - Đo đạc mẫu và so sánh kết quả.
Yêu cầu bài toán Đề xuất thiết kế Thiết kế và mô phỏng Đánh giá kết quả Điểu chỉnh thiết kế Chế tạo anten mẫu So sánh, đánh giá kết quả
4.1. Xác định yêu cầu bài toán thiết kế anten
Anten đƣợc thiết kế có dải tần hoạt động phù hợp với các dải tần hiện nay đang đƣợc sử dụng cho các hệ thống thông tin di động 3G/4G tại Việt Nam.
Băng tần đang đƣợc quy hoạch cho hệ thống thông tin di động 3G/4G tại Việt Nam hiện nay nhƣ sau:
Anten 3G Uplink 1920 – 1980 MHz / Downlink 2110 – 2170 MHz Anten 4G TDD : 2300 – 2390 MHz; 2575 – 2615 MHz
FDD: Uplink 2500 – 2570 MHz/ Downlink 2620 – 2690 MHz
Bảng 4.1: Băng tần 3G, 4G tại Việt Nam
Thiết kế lấy tham số S11 (tỉ số sóng phản xạ trên sóng tới tại cổng vào của anten) làm tiêu chí đánh giá dải tần số cộng hƣởng của các anten đƣợc thiết kế. Do vậy, xác định yêu cầu thiết kế cho các anten nhƣ sau:
Đối với anten 3G, anten đƣợc thiết kế có dải tần hoạt động từ 1900 ~ 2200 MHz (với S11 < -10dB)
Đối với anten 4G, anten đƣợc thiết kế có dải tần hoạt động từ 2300 – 2700 MHz (với S11 < -10dB) bao trùm cả phân kênh TDD và FDD.
4.2. Đề xuất thiết kế
Đề tài đề xuất nghiên cứu thiết kế là các anten mạch mạch dải.
Về vật liệu: Lựa chọn vật liệu Fr4. Đây là vật liệu rất phổ biến hiện nay trong thiết kế các mạch điện tử cũng nhƣ anten mạch dải. Mẫu Fr4 có khối lƣợng nhẹ, ở giữa là vật liệu sợi thủy tinh và hai mặt vật liệu có phủ đồng (độ dày cỡ 0,02mm) - đây là phần đƣợc dùng để thiết kế anten. Hiệu năng hoạt động của Fr4 so với các vật liệu khác cao cấp hơn nhƣ Roger/ Duroid tại dải tần dƣới 3GHz là không thua kém, nhƣng giá thành lại rẻ hơn nhiều.
Hằng số điện môi ε 4,4 Độ dày vật liệu (gồm cả hai mặt mạ đồng) 1,6 mm
Độ dày lớp đồng 0,02 mm
Bảng 4.2. Đặc tính kỹ thuật của vật liệu Fr4
Về mẫu anten: Lựu chọn mẫu anten hình chữ nhật với kiểu tiếp sóng bằng đƣờng truyền mạch dải 50Ω, độ dài cỡ ½ bƣớc sóng của tần số cộng hƣởng chính. Đây là dạng thiết kế không quá phức tạp và dễ dàng trong khâu gia công chế tạo mẫu.
Kích thƣớc anten hình chũ nhật đƣợc đề xuất tham khảo từ các công thức tính (phần mềm).
4.3. Thiết kế và mô phỏng 4.3.1. Thiết kế anten 4.3.1. Thiết kế anten
a) Cấu trúc đề xuất anten ban đầu
a) Cấu trúc mặt phát xạ b) Cấu trúc mặt phẳng đất
c) độ dày tấm vật liệu