Từ kết quả ở hình 3.6 cho thấy, tỉ số điện áp sóng đứng VSWR của anten đơn cực thỏa mãn nhỏ hơn 2, băng thông lớn hơn 200 MHz, trở kháng vào tại tần số 2 GHz là 65 Ω và anten sau khi bẻ gập đạt kích cỡ nhỏ nhất so với anten đơn cực hoặc anten chữ L ở trên.
Vậy tiếp theo đồ án sẽ đi sâu vào xây dựng cấu trúc anten PIFA được ghép từ các đoạn vi dải với các hình dạng cơ bản để ứng dụng cho các thiết bị di động 3G.
3.3 Mô phỏng anten PIFA3.3.1 Giới thiệu sơ lược 3.3.1 Giới thiệu sơ lược
4 0
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Ngày nay, thiết bị cầm tay đang ngày càng phổ biến. Chúng rất hữu ích trong việc giao tiếp cũng như thu nhận các nguồn thông tin. Chúng ta luôn hướng đến những thiết bị di động tiện lợi, nhỏ gọn, mảnh và nhẹ. Để thỏa mãn những yêu cầu này, việc thu nhỏ kích thước các thiết bị là cần thiết, đặc biệt là kích thước anten phải được tối thiểu hóa để đặt vào thiết bị mà vẫn đảm bảo các đặc tính bức xạ và băng thông.
Nhiều nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc tiêu biểu của anten cho thiết bị cầm tay. [9] D. Bonefacic đề xuất thiết kế anten vi dải làm việc ở tần số trung tâm 2 GHz và có kích thước nhỏ (30 × 12.9 × 5 mm3) nhưng băng thông lại quá hẹp (26 MHz). [3] Y. Kim đề xuất hệ thống anten cho thiết bị cầm tay tương lai nhưng kích thước anten vẫn còn lớn. [6] K. Skrivervik đề xuất thiết kế anten kích thước nhỏ hơn (23 × 14 × 5 mm3) cho các thiết bị di động 3G. [1] N. Q. Dinh đề xuất phương pháp tối ưu cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G với kích thước (23 × 14 × 5 mm3) và sau đó là [2] thiết kế tối ưu anten PIFA cho thiết bị 3G với kích thước (21 × 14.5 × 4 mm3).
Đồ án sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng anten PIFA đặt trên mặt phẳng đất thiết kế cho thiết bị điện thoại và khảo sát băng thông từ 1.7 GHz đến 2.3 GHz (bao phủ băng tần 3G: 1.9 GHz đến 2.17 GHz). Anten đề xuất có kích thước 20.7 × 14.5 × 3 mm3 nên tổng kích thước sẽ nhỏ, mảnh hơn anten của các bài báo trên và vẫn đảm bảo băng thông cần thiết.
3.3.2 Những yêu cầu chính của anten cho thiết bị di động 3G
Thông thường, thiết bị 3G có độ dài 110 mm, rộng 60 mm và dày 12 mm. Hiện tại, hệ thống 3G ở Việt Nam hoạt động ở dải tần 1.9 GHz đến 2.17 GHz. Vậy các yêu cầu chính cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G là:
Kích thước anten đủ nhỏ để đặt trong thiết bị di động: độ cao nhỏ hơn 5 mm, độ dài và rộng nhỏ hơn 40 mm.
4 1
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Trở kháng vào của anten có thể đạt 50 Ω ở tần số trung tâm để đảm bảo phối hợp trở kháng với feeder.
1≤VSWR≤2.
Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10% khi so sánh với tần số trung tâm, ≥ 200 MHz.
3.3.3 Cấu trúc anten PIFA
Anten gắn cố định trên chất nền FR4 (hằng số điện môi ε = 4.4, tanδ = 0.02) có kích thước 40 × 14.5 × 4 mm3. Cả anten và chất nền đều đặt trên mặt phẳng đất kích thước 80 × 40 × 0.1 mm3 (Hình 3.7a). Đây là cấu trúc anten đề xuất của nhóm tác giả Nguyen Quoc Dinh và Ha Quoc Anh trong bài báo “The optimum Design of PIFA for the 3G mobile device”, The institute of electronics, information and communication engineers; Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, năm 2014.
4 2
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G (a) (b) Hình 3.7: Anten PIFA 4 3
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Anten liên kết với mặt phẳng đất theo điểm nguồn và điểm đất (Hình 3.7b). Anten gồm những đoạn vi dải bằng đồng rộng w2 = 1 mm, dày 0.1 mm. Kích thước tổng thể của anten là dài w3 = 21 mm, rộng w1 = 14.5 mm và cao h = 4 mm. Khoảng trống giữa điểm nguồn và điểm đất là l5 = 8.2 mm. Ngoại trừ những đoạn vi dải liên kết với mặt đất, những đoạn còn lại cố định trên chất nền và song song với đất.
Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1. Anten có hình chữ L tạo bởi hai đoạn l1 và l2; có hai hình chữ U tạo bởi l6, l7 và l4, s.
Bảng 1: Kích thước của anten chữ F (mm)
4 4
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA
V S W R Z ( O hm )
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào
Hình 3.8 là kết quả mô phỏng trở kháng vào và VSWR của anten PIFA. Trở kháng vào đạt 48 Ω tại tần số 2 GHz. Băng thông của anten là 500 MHz (25 % khi so sánh với tần số trung tâm), VSWR ≤ 2 và băng thông anten (tần số dưới là khoảng 1.77 GHz và tần số trên là khoảng 2.26 GHz) bao phủ băng tần 3G (270 MHz).
3.3.4 Một phương pháp cải thiện cấu trúc anten
Để cải thiện cấu trúc anten, áp dụng phương pháp bẻ, gập, phân khe và dùng chất nền FR4 để làm rắn cấu trúc. Hơn nữa, để đảm bảo trở kháng vào của anten cần thay đổi dòng bằng cách thay đổi khoảng cách giữa điểm cấp ngu ồn và các điểm kết nối, đồng thời thêm các đoạn vi dải hình chữ U, L. Những đoạn vi dải này sẽ thay đổi phân bố dòng của anten, dẫn đến thay đổi trở kháng vào và vì thế đảm bảo phối hợp trở
4 5
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
kháng. Ngoài ra, anten được cải thiện vẫn phải đảm bảo mở rộng băng thông và kích thước nhỏ.
Đồ án sẽ lần lượt trình bày qui trình thay đổi một vài thông số để đi đến cải tiến cấu trúc anten PIFA.
Chiều cao của anten PIFA ở mục 3.3.2 là h = 4 mm, đầu tiên thực hiện hạ chiều cao anten xuống còn h’ = 3 mm (hình 3.9). Hình 3.10 là kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi hạ chiều cao chất nền.
Hình 3.9: Anten PIFA sau khi hạ chiều cao h
Từ đồ thị cho thấy sau khi hạ chiều cao chất nền nhưng chưa áp dụng phương pháp phân khe để làm giảm kích thước thì tần số trung tâm sẽ lệch ra khỏi 2 GHz.
4 6
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
V
S
W
R
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau khi ha chieu cao chat nen 2
1.5
1 1.7 Frequency (GHz)
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA khi thay doi l9
V
S
W
R
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi hạ chiều cao chất nền và khi thay đổi đoạn l9
Tiếp theo, áp dụng phương pháp phân khe tạo bởi hai đoạn l9 và l10 = 4.5 mm. Lần lượt khảo sát để chọn ra đoạn l9 thích hợp nhất. Xét l9 = 7.1 mm hoặc 7.6 mm hoặc 8.1 mm, sau khi mô phỏng ta được kết quả như ở hình 3.9. Ứng với l9 = 7.6 mm thì anten PIFA hoạt động với tần số trung tâm là 2 GHz và VSWR đảm bảo nhỏ hơn 2 nên
4 7
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Hình 3.11: Anten PIFA sau khi được phân khe
Hình 3.12 là kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA khi thay đổi chiều dài w3 ứng với các giá trị 21 mm, 20.7 mm và 20 mm. Từ kết quả mô phỏng cho thấy w3 phù hợp nhất với giá trị 20.7 mm vì tại đó anten hoạt động với tần số trung tâm là 2 GHz và VSWR đảm bảo nhỏ hơn 2.
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G V S W R V S W R
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau khi thay doi w3 2
1.5
1 1.7
Frequency (GHz)
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA khi thay doi chieu dai mat phang dat 2
L = 80 mm L = 70 mm L = 60 mm 1.5 1 1.7 Frequency (GHz)
Hình 3.12: Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi thay đổi w3 và chiều dài mặt phẳng đất
Kích thước mặt phẳng đất càng to càng tốt nhưng ở đây anten đặt trong điện thoại di động nên kích thước của nó được giảm để đặt trong thiết bị di động sao cho vẫn phải đảm bảo các thông số của anten. Hình 3.12 là kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA khi thay đổi chiều dài mặt phẳng đất từ 80 mm sang 70 mm và 60 mm. Từ đồ thị cho thấy, chiều dài mặt phẳng đất sau khi được giảm còn 70 mm vẫn đảm bảo hoạt động với tần số trung tâm là 2 GHz và VSWR nhỏ hơn 2.
Sau khi thay đổi chiều cao h, phân khe cho anten tạo bởi 2 đoạn l9 và l10, giảm chiều dài w3 của anten và giảm chiều dài măt phẳng đất, đồ án đi đến cấu trúc anten PIFA cải tiến như sau.
4 9
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
3.3.5 Cấu trúc anten sau cải tiến
Từ những thay đổi ở mục 3.3.3, anten sẽ có cấu trúc như sau. Anten gắn cố định trên chất nền FR4 (ε = 4.4, tanδ = 0.02) có kích thước 40 × 14.5 × 3 mm3. Cả anten và chất nền đều đặt trên mặt phẳng đất kích thước 70 × 40 × 0.1 mm3 (Hình 3.13a).
(a)
(b)
Hình 3.13: Anten PIFA sau cải tiến
5 0
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Anten liên kết với mặt phẳng đất theo điểm nguồn và điểm đất (Hình 3.13b). Anten gồm những đoạn vi dải bằng đồng rộng w2 = 1 mm, dày 0.1 mm. Kích thước tổng thể của anten là dài w3 = 20.7 mm, rộng w1 = 14.5 mm và cao h = 3 mm. Khoảng trống giữa điểm nguồn và điểm đất là l5 = 8.2 mm. Ngoại trừ những đoạn vi dải liên kết với mặt đất, những đoạn còn lại cố định trên chất nền và song song với đất.
Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1. Anten có hình chữ L tạo bởi hai đoạn l1 và l2; có hai hình chữ U tạo bởi l9, l10 và l4, s.
Bảng 2: Kích thước của anten PIFA sau cải tiến (mm)
5 1
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
Ket qua mo phong VSWR cua anten PIFA sau cai tien
2 V S W R 1.5 1 1.7
Ket qua mo phong tro khang vao cua anten PIFA sau cai tien 70 Z ( oh m ) 60 50 40 1.7
Hình 3.14: VSWR và trở kháng vào của anten PIFA sau cải tiến
Hình 3.14 là kết quả mô phỏng trở kháng vào và VSWR sau khi cải thiện. Trở kháng vào có thể đạt xấp xỉ 44 Ω tại tần số 2 GHz. Băng thông của anten lớn hơn 600 MHz (>30 % khi so sánh với tần số trung tâm), VSWR ≤ 2. Vì thế, băng thông anten bao phủ băng tần 3G (270 MHz). Kết quả cho thấy băng thông của anten là rộng nhất khi so sánh với các thiết kế của các bài báo trước đó.
So sánh kết quả đạt được của anten sau cải tiến:
+Kích thước anten nhỏ hơn (20.7 × 14.5 × 3 mm3). +Kích thước mặt phẳng đất nhỏ hơn chỉ còn dài 70 mm. +Băng thông rộng hơn và vẫn đảm bảo bao phủ băng tần 3G.
5 2
Chương 3: Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G
3.4 Kết luận chương
Chương cuối trình bày việc mô phỏng cấu trúc các anten đơn giản. Anten đơn cực có kích thước vẫn còn lớn, sau khi bẻ gập thành anten chữ L sẽ có kích thước nhỏ hơn và rồi anten chữ F sẽ có kích thước nhỏ nhất so với hai anten trên. Từ đó, kết hợp cấu trúc các anten đơn giản trên, đồ án tiếp tục mô phỏng cấu trúc anten PIFA mà ứng dụng cho các thiết bị di động 3G. Sau khi áp dụng phương pháp giảm kích thước anten như bẻ, gập, phân khe, đồ án mô phỏng cấu trúc anten PIFA và các thông số của nó sau khi cải tiến.
Những kết quả đạt được sau khi cải tiến cấu trúc anten PIFA: +Kích thước nhỏ 20.7 × 14.5 × 3 mm3
+ Băng thông rộng 500 MHz (30 %, VSWR ≤ 2) bao phủ rộng băng tần 3G của Việt Nam.
+Kích thước mặt phẳng đất nhỏ hơn chỉ còn dài 70 mm.
5 3
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, đồ án đã đi sâu phân tích về anten vi dải cũng như anten PIFA ứng dụng cho các thiết bị di động 3G.
Những kết quả đạt được qua đề tài như sau:
+Tìm hiểu lí thuyết về anten và các thông số cơ bản của nó. +Tìm hiểu lý thuyết về anten vi dải và anten PIFA.
+ Dùng chương trình HFSS để mô phỏng, chương trình Matlab để biểu diễn các kết quả đạt được. Mô phỏng cấu trúc các anten đơn giản như anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F. Từ đó, kết hợp cấu trúc các anten đơn giản trên, tiếp tục mô phỏng cấu trúc anten PIFA mà ứng dụng cho các thiết bị di động 3G. Sau khi áp dụng phương pháp giảm kích thước anten như bẻ, gập, phân khe, đồ án mô phỏng cấu trúc anten PIFA và các thông số của nó như băng thông, trở kháng vào và tỉ số điện áp sóng đứng sau khi cải tiến.
Ngoài những điều đã thực hiện được vì thời gian hạn chế nên đề tài còn một số thiếu sót cần được khắc phục. Băng thông của anten vẫn còn nhỏ, phối hợp trở kháng khi thực hiện anten còn chưa tốt và kích thước anten vẫn còn nhỏ.
Với sự tiến bộ của công nghệ, đòi hỏi thiết bị ngày càng tinh vi, đạt hiệu quả cao và các thiết bị ngày càng nhỏ gọn. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu và thiết kế các dạng anten vi dải mới nhỏ gọn hiệu suất cao ngày càng được chú trọng.
Trong tương lai, đồ án sẽ tiếp tục cải thiện cấu trúc anten để giảm độ dày anten mà vẫn đảm bảo băng thông cùng các thông số khác và anten có thể hoạt động ở dải tần rộng hơn. Đồng thời, tiếp tục nghiên cứu các dạng anten vi dải mới với nhiều tính năng vượt trội hơn, phù hợp cho các hệ thống thông tin ngày nay và trong tương lai.
5 4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]H. Q. Anh, N. Q. Dinh, D. Q. Trinh, “A method to miniaturize antenna structure for the 3G mobile device”, The 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC’13), pp.191-194, Oct. 16-18, 2013.
[2] H. Q. Anh, N. Q. Dinh, “The Optimum Design of PIFA for the 3G mobile device”,
The institute of electronics, Informatin and Communication Engineers, Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, 2014.
[3] Y. Kim, H. Morishita, Y. Koyanagi, K. Fujimoto, “A folded Loop Antenna System for handsets Developed and Based on the advanced Design Concept”, IEICE Trans. Commun., vol.E84-B, no.9, pp.2468-2475, Sept.2001.
[4] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory”, Chapter 1, 2, Third edition, A John Wiley & Sons, INC., Publication.
[5]Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, “Microstrip Antenna Design Hanbook”, Chapter 1, Artech House.
[6] K. Skrivervik, J. F Zurcher, O. Staub and J. R. Mosig, “PCS antenna design: The Challenge of Miniatureization”, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.43, No.4, Aug., 2001.
[7] Iulian Rosu, “PIFA – Planar Inverted F Antenna”, YO3DAC / VA3IUL. [8]Antenna Theory, “PIFA – The Planar Inverted F Antenna”, http://www.antenna- theory.com/antennas/patches/pifa.php.
[9] D. Bonefacic, J. Bartolic, “Small antennas: Miniaturization Techniques and Applications”, ATKAFF 53(1), 20-30, 2012.
DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ NỘP
1. T. T. Huong, N. T. Hang, “Design enhancements of PIFA for 3G mobile device”. (Đã nộp và đang chờ kết quả)
PHỤ LỤC
Mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten đơn cực
f = 1.8:0.01:2.2; VSWR= [3.062078798 2.456304154 2.343117654 1.930957333 1.840031149 1.538942524 1.482969331 1.378450257 1.398101934 1.579613361 1.64317743 2.026017165 2.112299702 2.479461977 2.57557727 Z=[67.93566619 65.75547842 65.50965079 65.19706009 65.31344055 66.75841825 67.2166298 70.33273886 71.11904674 75.85667983 76.96492994 81.93399709 83.31068062 91.00729848]; subplot(2,1,1) plot (f,VSWR,'k','linewidth',1.8); grid on axis ([1.8 2.2 1.2 2]) xlabel('Frequency (GHz)') ylabel('VSWR')
title('Ket qua mo phong VSWR cua anten don cuc')
subplot(2,1,2) plot (f,Z,'k','linewidth',1.8); grid on axis([1.8 2.2 60 100]) xlabel('Frequency (GHz)') ylabel('Z (Ohm)')
title('Ket qua mo phong tro khang vao
Mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten chữ L
f = 1.8:0.01:2.2; VSWR = [2.982837871 2.372211993 2.262044232 1.785590967 1.706915786 1.41901526 1.387992064 1.405264266 1.439447422 1.637232641 1.697370034 1.964857763 2.036909619 2.339358093 2.417717465 Z=[61.30718465 60.95380671 61.04123326 61.89363189 62.22909601 57
64.61085483 65.22437236 65.88247076 66.58470085 67.33063191 68.11985094 68.95196183 69.82658466 70.74335509 71.70192366