Hầu hết anten vi dải trong th của bản kim loại là rất nhỏ
trung dưới bản kim loại. Do đĩ, nĩ khơng t tuyến với cạnh của bản kim lo
cộng hưởng cĩ bốn bức tườ mặt dưới như hình 2-24.
Hình 2-24: Mơ hình h
n tổng trở ngõ vào phản kháng và nĩ sẽ khơng b ng điện từ thực tế cĩ thể được xắp xỉ đểtạo ra trư
ng bức xạ, dẫn nạp ngõ vào và tần số cộng hư ật độ dịng tương ứng
p nguồn, một phân bố điện tích sẽ xuất hiện n kim loại, cũng như ở phía dưới mặt phẳng đất như h
ng điện tích đối diện nhau ở mặt dưới bản kim lo n tích tập trung dưới bản kim loại. Lực đẩy đi
t dưới bản kim loại, xung quanh các cạnh đế
ển này tạo ra các dịng điện Jb và Jt ở mặt trên và m
: Phân bố điện tích và mật độ dịng trên anten vi d
i trong thực tế cĩ tỉ số chiều cao của lớp điện mơi và chi ỏ. Do lực hút và lực đẩy điện tử nên phần lớ
i. Do đĩ, nĩ khơng tạo ra bất kỳ thành phần từ
n kim loại. Vì vậy, anten vi dải cĩ thể được xem như m ờng từ ở xung quanh và hai bức tường điện
: Mơ hình hộp cộng hưởng của anten vi dải
khơng bức xạ năng o ra trường và cĩ thể ng hưởng n ở phía trên và t như hình 2-23. n kim loại và mặt y điện tử giữa các ến mặt trên của t trên và mặt dưới
dịng trên anten vi dải
n mơi và chiều rộng ớn điện tích tập trường nào tiếp c xem như một hộp n ở mặt trên và
Thơng thường trong phân tích giá một thế vector bổ sung như là m Hàm thế vector phổ biến nh trường phải thoả phương trình tr
Trường bức xạ của anten vi d Anten vi dải cĩ thể biểu di
của lớp điện mơi bị cắt cụt và khơng kéo dài quá các c tường xung quanh (những b
qua đĩ nĩ sẽ bức xạ. Để tính trư
Huygen’s) sẽ được sử dụng. Anten vi d Jt ở mặt trên và mặt dưới c
(cũng cĩ một mật độ dịng Jb mơ hình này). Bốn khe ở m
Js và mật độ dịng từ tương đương Ms n
Hình 2-25: Mơ hình h
Bởi vì anten vi dải cĩ tỷsố h/W r nhỏ hơn rất nhiều so với m được bỏ qua và trường từ ti
xem như lý tưởng bằng 0. Do đĩ m
0). Như vậy chỉ cĩ mật độ dịng khác 0 là m cộng hưởng bức xạ trong sự
được tính đến bằng lý thuyế
ng trong phân tích giá trị biên của trường điện từ người ta thư sung như là một phương tiện trong việc xác định trư
n nhất là A, thế vector từ và F, thế vector điện. Nh ình truyền sĩng và phù hợp với điều kiện biên. a anten vi dải
u diễn bằng mơ hình hốc cộng hưởng khi giả s t và khơng kéo dài quá các cạnh của bản kim lo ng bức tường từ) biểu diễn bốn khe cộng hưở
tính trường bức xạ, nguyên lý trường tương đương (nguyên l ng. Anten vi dải được biểu diễn bằng mật độ dịng
i của bản kim loại để tính đến sự cĩ mặt củ dịng Jb ở mặt dưới của bản kim loại nhưng khơng c
mặt bên được biểu diễn bằng mật độ dịng điệ tương đương Ms như hình 2-25 với:
: Mơ hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải
h/W rất nhỏ nên mật độ dịng Jt ở mặt trên c i mật độ dịng Jb ở mặt dưới của bản kim loạ tiếp tuyến dọc theo các cạnh của bản kim loạ ng 0. Do đĩ mật độ dịng từ tương đương Js sẽ rất nh
dịng khác 0 là mật độ dịng từ Ms dọc chu vi bên c ự cĩ mặt của mặt phẳng đất. Sự cĩ mặt của m ết hình chiếu sẽ cho mật độ dịng từ tương đương g
i ta thường sử dụng nh trường điện và từ. n. Những cấu hình n biên. sử rằng vật liệu n kim loại. Bốn bức ởng hẹp nơi mà ng tương đương (nguyên lý dịng điện tương ủa bản kim loại i nhưng khơng cần thiết trong ện tương đương
t trên của bản kim loại ại nên nĩ cĩ thể ại cũng rất nhỏ, t nhỏ (lý tưởng là c chu vi bên của hốc a mặt phẳng đất tương đương gấp đơi.
Chương 3
THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN
3.1. Thiết kế và mơ phỏng anten
3.1.1. Phần mềm mơ phỏng
Ansoft HFSS (Ansoft High Frequency Structure Simulator) là một phần mềm mơ phỏng dùng để giải trường điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) tồn sĩng cho cấu trúc ba chiều bất kỳ. HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tồn sĩng ba chiều để tính tốn các đặc trưng điện học của các linh kiện tần số cao và tốc độ cao. Với HFSS, các kỹ sư cĩ thể tách các tham số kí sinh (S, Y, Z), hình dung trường điện từ ba chiều (trường khu gần và trường khu xa), tạo ra các mẫu chương trình mơ phỏng chuyên dùng cho mạch in (SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), và thực hiện thiết kế tối ưu. HFSS mơ tả chính xác hoạt động điện của các linh kiện và đánh giả hiệu quả chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền, tổn hao phản xạ do khơng phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh, và phát xạ. HFSS cĩ thể mơ phỏng các trường điện từ, dịng điện và phát xạ trong một cấu trúc ba chiều bất kỳ bao gồm kim loại, điện 52 mơi, vật liệu từ v.v… dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều. HFSS được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp cho tần số vơ tuyến RF, anten, và thiết kế mạch. HFSS là phần mềm chuẩn cơng nghiệp cho việc tách tham số S và chương trình mơ phỏng chuyên dùng cho mạch in tồn sĩng (full wave SPICE) và cho mơ phỏng điện từ của các linh kiện tần số cao với tốc độ cao. HFSS được sử dụng rộng rãi cho việc thiết kế của các phần tử thụ động nhúng trên chip, các đầu nối mạch in, anten, các linh kiện RF/vi ba, và các gĩi IC tần số cao. HFSS phát triển các sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển và khẳng định rõ hơn thành cơng của thiết kế. Phiên bản mới nhất của HFSS đưa ra những phát triển sản
phẩm tới các kỹ sư RF/vi ba và mở rộng việc phối hợp thiết kế điện từ tới các nhánh khác của kỹ sư làm việc trong các khu vực thiết kế IC RF/analog và các thiết kế multi- gigabit cũng như EMI/EMC. HFSS được dùng để mơ phỏng các đầu nối, các ống dẫn sĩng, các linh kiện trên chip, các anten, v.v… và dùng cho việc khảo sát các tham số, tối ưu cấu trúc, … [12].
a. Phương pháp phần tử hữu hạn
HFSS được dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều. Đĩ là một phương pháp miền tần số (các lời giải được tính cho từng tần số riêng biệt). Phương pháp phần tử hữu hạn chia cả khơng gian thành các phần tử hữu hạn (tam giác hoặc tứ diện) và mơ tả trường trong mỗi miền con bằng một hàm cục bộ. Với thể tích tổng cộng của miền con, trường tán xạ cĩ thể được mở rộng thành một loạt các hàm cơ bản đã biết với các hệ số mở rộng chưa biết. Giá trị của số lượng trường véc-tơ ở các điểm trong mỗi tứ diện được nội suy số học từ các giá trị ở các đỉnh và trung điểm các cạnh. Bộ mơ phỏng biến đổi các phương trình Maxwell thành các phương trình ma trận, cĩ thể được giải sử dụng các phương pháp số học. Thời gian mơphỏng tỉ lệ với (khi được giải theo phương pháp lặp) hay (nếu ma trận hệ thống được đảo trực tiếp).
b. Tính tốn
Quá trình phân tích thích ứng
Một phân tích thích ứng là một quá trình giải trong đĩ lưới được lặp tinh chỉnh trong những vùng cĩ lỗi cao, làm tăng độ chính xác của lời giải. Người sử dụng đặt các tiêu chuẩn điều khiển cho việc tinh chỉnh lưới trong lời giải trường thích ứng. Nhiều vấn đề cĩ thể được giải quyết chỉ bằng việc sử dụng tinh chỉnh thích ứng.
1. HFSS tạo ra một lưới khởi tạo.
2. Sử dụng lưới khởi tạo, HFSS tính tốn các trường điện từ tồn tại bên trong cấu trúc khi nĩ được kích thích ở tần số nghiệm. (Nếu bạn đang chạy một tần số quét, một nghiệm thích nghi được thực hiện chỉ ở tần số nghiệm cụ thể)
3. Được dựa trên lời giải phần tử hữu hạn hiện tại, HFSS xác định các vùng chứa vấn đề mà việc tính nghiệm gặp lỗi. Tứ diện trong những vùng này được tinh chỉnh. 4. HFSS tạo ra một lời giải khác sử dụng lưới đã tinh chỉnh.
5. HFSS tính lại lỗi, và quá trình lặp này (giải – phân tích lỗi – tinh chỉnh) lặp lại cho đến khi các tiêu chuẩn hội tụ được thỏa mãn hoặc hồn tất số lần thơng qua thích ứng. 6. Nếu tần số quét được thực hiện, HFSS sẽ giải vấn đề ở các điểm tần số khác mà khơng cần tinh chỉnh thêm nữa
Các bộ quét tần số
Thực hiện một bộ quét tần số khi người sử dụng muốn tạo ra một lời giải qua một dải các tần số. Ta cĩ thể lựa chọn một trong những loại bộ quét sau: 1. Nhanh: Tạo ra một lời giải trường đầy đủ duy nhất cho mỗi phép chia trong một khoảng tần số. Tốt nhất cho các mẫu đột ngột cộng hưởng hay thay đổi hoạt động trong băng tần số. Một bộ quét nhanh sẽ chứa một sự mơ tả chính xác các đặc điểm gần cộng hưởng. 2. Rời rạc: Tạo ra các lời giải trường ở các điểm tần số cụ thể trong một dải tần. Tốt nhất khi chỉ cĩ vài điểm tần số cần thiết phải mơ tả chính xác các kết quả trong một dải tần. 3. Nội suy: Đánh giá một lời giải cho tồn bộ dải tần. Tốt nhất khi dải tần rộng và đáp ứng tần số là bằng phẳng, hay nếu sự yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá tài nguyên của bạn.
Kích thích Thiết lập các kích thích cho một thiết kế HFSS cho phép bạn cụ thể hĩa các nguồn trường điện từ và các điện tích, các dịng điện hay các điện áp trên vật hay trên bề mặt: Wave port; Lumped port; Sĩng tới; Nguồn điện áp; Nguồn dịng điện; Nguồn phân cực từ.
Các đường biên
Các điều kiện biên cụ thể hĩa đặc tính trường trên các bề mặt của vùng bài tốn và các giao diện vật thể. Khu vực này của những chú ý kỹ thuật bao gồm thơng tin về các loại đường biên: Perfect E; Perfect H; Trở kháng; Phát xạ; PML; Chất dẫn điện hữu hạn; Đối xứng; Chủ - tớ; Lumped RLC; Trở kháng phân lớp; Các mặtphẳng đất vơ hạn. Các vật liệu
Các tính chất của vật liệu tuyến tính: - Hệ số từ thẩm tương đối
- Hệ số điện mơi tương đối - Điện dẫn khối
- Tổn hao điện mơi tiếp tuyến - Tổn hao từ tiếp tuyến
Các tính chất của vật liệu ferít: - Đường bão hịa từ - Hệ số Lande G - Delta H Thơng tin cũng bao gồm những điều sau: - Các vật liệu khơng đẳng hướng - Các tính chất của vật liệu phụ thuộc tần số
3.1.2. Lựa chọn chất điện mơi
Lựa chọn lớp điện mơi làm nền là một trong những bước đầu tiên của quá trình thiết kế anten vi dải. Khi lựa chọn lớp điện mơi chúng ta cần chú ý đến một số đặc tính như: hằng số điện mơi, suy hao tiếp tuyến (loss tangent), độ dày của lớp điện mơi và các ảnh hưởng khác lên vật liệu điện mơi (nhiệt độ, tần số, tính đẳng hướng,…). Hiện nay, trên thị trường cĩ rất nhiều loại vật liệu điện mơi khác nhau và hầu như khơng cĩ loại nào là hồn hảo. Chúng ta lựa chọn vật liệu điện mơi dựa vào từng ứng dụng cụ thể, ví dụ như muốn thiết kế một anten vi dải hoạt động ở tần số thấp thì chúng ta phải lựa chọn vật liệu cĩ hằng số điện mơi lớn để kích thước của anten trở nên nhỏ gọn. Dựa vào đặc tính của vật liệu điện mơi chúng ta cĩ thể chia làm 5 nhĩm như sau:
• Vật liệu điện mơi gốm:
Thành phần chính trong vật liệu điện mơi gốm là alumina (Al2O3). Các đặc tính chủ yếu của loại vật liệu này tương đối tốt như: hằng số điện mơi cao, suy hao thấp, sự tán xạ tần số thấp…Tuy nhiên, loại vật liệu này cĩ khổ kích thước nhỏ 4 x 4 inch nên khĩ chếtạo các loại anten vi dải cĩ cấu trúc phức tạp. Một đặc tính cơ học khác là loại này rất cứng và giịn nên rất khĩ gia cơng. Như vậy loại vật liệu này chỉ thích hợp cho các loại anten vi dải cĩ cấu trúc đơn giản và hoạt động ở dãy tần số thấp. • Vật liệu điện mơi bán dẫn:
Thành phần chủ yếu trong loại vật này là các chất bán dẫn như Si hay GaAs. Loại vật liệu này ít được sử dụng do nĩ cĩ kích thước quá nhỏ nên khĩ thực hiện các loại anten vi dải hoạt động trong dải tần số viba. Loại vật liệu này chỉ thích hợp cho các anten hoạt động ở dải tần cao và tích hợp nguyên khối.
•Vật liệu điện mơi ferrit từ:
Loại vật liệu này ngày càng được sử dụng phổ biến do cĩ hằng số điện mơi cao và suy hao thấp. Trong tự nhiên vật liệu ferrit khơng đẳng hướng nên tần số cộng hưởng của anten vi dải phụ thuộc vào phân cực từ trường của vật liệu. Các anten vi dải sử dụng vật liệu này cĩ thể tăng băng thơng lên đáng kể bằng cách thay đổi phân cực từ trên vật liệu ferrit mà khơng làm ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của anten. • Vật liệu điện mơi nhân tạo
Đây là loại vật liệu cĩ suy hao thấp, hằng số điện mơi thấp phù hợp để thiết kế các loại anten vi dải.Vật liệu này cĩ nhiều loại như: PTEE (Teflon), Polystyrene, Polyolefin, Polyphenylence… Tuy nhiên loại vật liệu này khá mềm dẻo và thay đổi theo nhiệt độ.
Hiện nay, loại vật liệu này được dùng khá phổ biến trong thiết kế anten vi dải. Vật liệu này là sự kết hợp các đặc tính cơ điện của các loại vật liệu khác nhau để cho ra các loại vật liệu hỗn hợp cĩ các đặ tính cơ điện như mong muốn.
Trong thực tế, khi lựa chọn vật liệu điện mơi làm lớp nền cho anten vi dải người ta thường dựa vào các tiêu chí sau:
• Khả năng đối với kích thích sĩng bề mặt
• Ảnh hưởng của sự phân tán hằng số điện mơi trên lớp nền • Độ suy hao của lớp đồng và hằng số điện mơi
• Tính dị hướng trong lớp nền 50 • Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm…
• Những yêu cầu cơ học: dễ gia cơng, dễ hàn, nhẹ, đàn hồi… • Giá tiền
Trong đĩ, ba tiêu chí đầu tiên đặc biệt liên quan đến khoảng bước sĩng mm (f > 30 GHz). Dựa vào các tiêu chí trên thì vật liệu điện mơi hỗn hợp cĩ nhiều ưu điểm để dùng làm lớp nền cho anten vi dải.
Trong luận văn này, vật liệu chất nền Fr4 được lựa chọn để thiết kế sản phẩm với các thơng số kỹ thuật:
- Tên vật liệu: Fr4 epoxy - Độ dày (h): 1.6 mm - Hằng số điện mơi: 4.4 - Suy hao tiếp tuyến: 0.0245
3.1.3. Mục tiêu cần đạt được
Mục đích của nghiên cứu là thiết kế anten thích ứng với các thiết bị cầm tay hỗ trợ 4G/LTE và Bluetooth như điện thoại thơng minh, máy tính bảng. Vì vậy anten phải hoạt động ở hai dải tần số: 4G/LTE 1.8 GHz & 2.6 GHz, Bluetooth 2.4 GHz. Hơn nữa, băng thơng phải đủ rộng để đáp ứng dải tần số cho LTE trong 1800MHz (1710-1785) & (1805-1880) và 2600MHz (2500-2570) & (2620-2690), Bluetooth 2.4 GHz (2400 MHz – 2485 MHz)[11].
3.1.4. Thiết kế anten
Để thực hiện thành cơng hệ anten cho điện thoại di động thế hệ mới, việc nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ đĩng vai trị rất quan trọng. Cơng nghệ anten mạch dải cho phép thiết kế các anten cĩ kích thước nhỏ, gọn, nhẹ, dễ sản xuất cùng khả năng tích hợp bề mặt đang dần chiếm ưu thế, đặc biệt cho các loại anten trong truyền thơng di động. Bên cạnh đĩ, nếu sử dụng các cấu trúc đặc biệt cùng siêu vật liệu (metamaterial) cũng đem lại nhiều lợi điểm. Hệ thống anten cần phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ