2.3.1. Anten vi dải 2 tần số cộng hƣởng
Anten vi dải cộng hưởng kép có thể hoạt động tại 2 tần số cộng hưởng trên các cấu trúc đơn hoặc đa bức xạ. Về lý thuyết, các anten vi dải cộng hưởng kép phải có cùng các đặc tính bức xạ và phối hợp trở kháng tại cả hai tần số cộng hưởng.
Có một số phương pháp để thiết lập anten cộng hưởng kép và được phân thành 3 loại chính:
- Kích thích anten bằng 2 mode.
- Sử dụng nhiều patch bức xạ cho anten. - Mắc tải hỗn hợp.
Kỹ thuật kích thích bằng 2 mode được thực hiện bằng cách kích thích 2 mode cộng hưởng khác nhau lên một patch vi dải đơn. Đối với cấu trúc sử dụng nhiều patch bức xạ, cộng hưởng kép đạt được bằng cách sử dụng nhiều patch bức xạ, mỗi patch cộng hưởng tại một tần số nhất định. Cấu trúc này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều patch đồng phẳng hoặc xếp chồng nhiều patch, trong đó các patch bức xạ có hình dạng giống nhau hoặc khác nhau. Các anten này hoạt động hoạt động tại 2 tần số với cùng phân cực hoặc 2 phân cực khác nhau. Khi anten vi dải được yêu cầu là phải hoạt động tại 2 tần số khác biệt, kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất là mắc tải hỗn hợp hoặc mắc tải điện kháng cho 1 patch đơn. Một số kiểu mắc tải thường sử dụng như: nhánh, khe hình V, ngắn mạch, sử dụng tụ điện và khe.
Anten vi dải 2 tần số có thể hình thành bằng cách xếp chồng 2 phần tử mạch dải, mỗi phần tử có tần số cộng hưởng riêng, và được tiếp điện nối tiếp như trên hình 2.28. Đặc tính quan trọng nhất cần lưu ý ở đây là khi một trong 2 phần tử mạch dải không cộng hưởng với tần số làm việc của phần tử kia thì nó giống như một phiến kim loại bị đoản mạch. Điều này cho phép mỗi phần tử mạch dải hoạt động độc lập tại tần số không cộng hưởng của phần tử mạch dải kia. Điều này có thể đạt được khi khoảng cách tần số nhỏ hơn 10%, hoặc khi các tần số đó là hài nhau.
Hình 2.28. Hình dạng anten mạch dải 2 băng tần.[1] (a). Tiếp điện nối tiếp cho từng phần tử
(b). Cấu trúc tƣơng đƣơng tại tần số f1
2.3.2. Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hƣởng
Ta có thể xếp chồng nhiều phần tử và tiếp điện nối tiếp để tạo thành một hệ anten mạch dải nhiều tần số. Điều quan trọng là phải tìm điểm phù hợp của mỗi phần tử để có thể đặt nguồn nuôi vào đó với trở kháng đầu vào là 50 Ω. Kích thước chính xác của phần tử tiếp điện nối tiếp và các điểm phù hợp để đặt nguồn nuôi tốt nhất là được xác định bằng thực nghiệm.
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN CHO WLAN
3.1. Yêu cầu thiết kế.
- Kích thước: Anten thiết kế cho thiết bị di động cầm tay nên yêu cầu kích thước nhỏ, gọn, có cấu trúc phẳng để có thể dễ dàng tích hợp vào thiết bị.
- Băng thông: Anten phải hoạt động được trong cả 2 dải tần của WLAN 2400 – 2485 MHz và 5180 – 5320 MHz [9] theo chuẩn Châu Âu.
- Bức xạ: Do tích hợp trong thiếp bị cầm tay di động nên anten phải bức xạ theo mô hình của một monopole đồng phẳng, bức xạ đẳng hướng để có thể thu tốt tín hiệu đến từ mọi phía.
- Yêu cầu về mặt công nghệ chế tạo: Phải tiện lợi, dễ chế tạo. Đặc biệt là có thể chế tạo ở Việt Nam để khảo sát và thử nghiệm. Giá thành chế tạo rẻ.
3.2. Phân tích và hƣớng thiết kế.
- Áp dụng cấu trúc vi dải để thiết kế anten yêu cầu.
- Thiết kế anten có băng thông hoạt động ở 2 dải tần số WLAN 2400 – 2485MHz và 5180 – 5320 MHz [9] theo chuẩn Châu Âu.
- Sử dụng công nghệ tiếp điện Ống dẫn sóng đồng phẳng CPW. Do đất và tấm patch bức xạ ở trên cùng mặt phẳng nên anten sẽ không có mặt phẳng đất chắn ở dưới. Do đó, nó sẽ bức xạ đẳng hướng, phù hợp với yêu cầu thiết kế đặt ra. - Tấm điện môi được chọn để thiết kế là FR4, =4.4, độ dày h=1.6 mm vì thực tế
vật liệu này dễ tìm kiếm ở Việt Nam
- Sử dụng phần mềm mô phỏng CST để vẽ và khảo sát mô hình anten đề xuất. Sau đó khi đạt được các tiêu chí kỹ thuật như yêu cầu thì sẽ tiến hành chế tạo thử nghiệm thực tế.
3.3. Thiết kế.
3.3.1. Thiết kế thành phần tiếp điện. 3.3.1.1. Thiết kế dựa vào lý thuyết 3.3.1.1. Thiết kế dựa vào lý thuyết
Lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp để có thể dễ dàng phối hợp trở kháng giữa feeder và anten. Ngoài ra, cách tiếp điện cho anten cũng góp phần đáng kể quyết định đến kích thước và thuộc tính của anten. Trong mô hình anten được thiết kế, cấu trúc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng được sử dụng. Ống dẫn sóng đồng phẳng có cấu trúc mỏng, góp phần đáng kể thu nhỏ kích thước anten. Các thiết kế anten gần đây còn cho thấy việc sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng có thể cho phép mở rộng băng thông.
Hình 3.1. Coplanar Waveguide [3]
Trở kháng đặc tính Zo được tính như sau:
= (1.90) Trong đó: = (1.91) (1.92) k= , , a=W và b=W+2S (1.93) , (1.94) (1.95) (1.96) Đối với công thức (1.90) ta có:
(1.97)
(1.98) (1.99)
(1.100)
Vì vậy nếu xác định được các thông số như , độ cao h, trở kháng đặc tính Zo, ta hoàn toàn có thể xác định được độ rộng đường vi dải W và khoảng cách giữa đường vi dải và mặt phẳng đất S.
3.3.1.2. Thiết kế dựa vào phần mềm CST Studio Suite 2013
Một cách khác để thiết kế đường truyền vi dải là dùng phần mềm CST Studio Suite 2013. Phần mềm này tính toán rất nhanh và chính xác. Nhờ đó mà ta không phải mất thời gian tính toán bằng lý thuyết.
Chúng ta sẽ xác định độ rộng W của đường vi dải và khoảng cách G giữa đường vi dải và mặt phẳng đất sao cho trở kháng đặc tính =50 . Hằng số điện môi của chất nền FR4 là =4.4, chiều cao chất nền h=1.6 mm, độ dày lớp đồng là t=0.035mm.
Cách làm như sau:
- Khởi động phần mêm CST Studio Suite 2013
- Vào phần Macro>Calculate>Calculate analytical Line Impedance>Chọn Thick Coplanar Waveguide
- Điền các thông sô cần thiết để đạt được trở kháng đặc tính =50 như hình 3.2
Như vậy ta tính toán được độ rộng đường truyền vi dải W=4mm, khoảng cách giữa đường truyền vi dải và mặt phẳng đất g=0.5mm. Kết quả cũng thu được trở kháng đặc tính =49.94 xấp xỉ 50 như yêu cầu đề ra.
3.3.2. Thiết kế thành phần bức xạ
Do anten được thiết kế hoạt động tại 2 dải tần WLAN là 2.4 GHz và 5.2 GHz. Do đó phương pháp thiết kế là sử dụng 2 thành phần bức xạ cộng hưởng tại 2 dải tần số khác nhau, sắp xếp hợp lý trên cùng 1 chất điện môi để có thể thu được 1 anten hoạt động tại 2 dải tần WLAN.
3.3.2.1. Tính toán thành phần bức xạ tải dải tần 5 GHz ( tần số 5.2 GHz)
Tính toán độ rộng W [6]:
(1.101) Hệ số điện môi hiệu dụng [6]:
(1.102) Bước sóng [6]: = (1.103) Trong đó: c=300000000m/s là tần số cộng hưởng là hệ số điện môi
Thay =5.2 GHz, =4.4 vào công thức trên ta thu được W1=17.6 mm. Ta lựa chọn Chiều dài L1= =8.8 mm
Hình 3.3. Kích thƣớc anten bức tại tại dải tần 5.2 GHz
Thành phần bức xạ tại dải tần 5.2 GHz có kích thước 17.6 x 8.8mm được in trên chất điện môi FR4, =4.4, chiều dày h=1.6mm, kích thước 40 x 27 mm. Phương pháp tiếp điện sử dụng là đường dẫn sóng đồng phẳng CPW với mặt phẳng đất có kích thước 10.8 x 12mm, đường vi dải có kích thước 4 x 14mm, khoảng cách giữa đường vi dải và mặt phẳng đất là g=0.5 mm.(kích thước đường tiếp điện ống dẫn sóng đồng phằng đã được tính toán ở phần trên)
Hình dạng 3D được mô phỏng trong phần mềm CST như hình 3.4
Bây giờ ta tiến hành mô phỏng thử mẫu anten này bằng phần mềm CST. Kết quả Hệ số suy hao do phản xạ Return Loss S11 được thể hiện như hình 3.5.
Hình 3.5. Hệ số S11 của anten 5.2 GHz
Với hệ số suy hao do phản xạ S11=-10dB (tương ứng với hệ số sóng đứng VSWR=2), ta thấy băng thông của anten là 2.73 GHz (3.618 GHz – 6.3489 GHz). Tuy nhiên anten vẫn chưa cộng hưởng tại tần số mong muốn là 5.2 GHz. Với băng thông rộng 2.73 GHz, anten này có thể hoạt động tại toàn bộ dải tần số WLAN 5 GHz (5.180 GHz – 5.825 GHz). Ta sẽ điều chỉnh tần số cộng hưởng tại bước tiếp theo.
Bảng 3.1. Tần số cộng hƣởng và băng thông anten hoạt động tại dải tần 5.2 GHz
Dải tần Tần số cộng hưởng Băng thông VSWR=2 ( S11=-10dB)
5.2 GHz 4.8 GHz 3.618 GHz – 6.3489 GHz (2.73 GHz)
Trên thành phần bức xạ 5.2 GHz, ta cắt đi 1 khoảng hình chữ nhật có kích thước 7 x 7.8 mm như hình 3.6 mà sẽ không ảnh hưởng nhiều đến dải tần hoạt động của anten.
Thực hiện việc này để bước tiếp theo có thể ghép đươc thành phần bức xạ 2.4 GHz vào khoảng diện tích bị cắt bỏ này.
Kích thước cảu Anten sau khi cắt bỏ đi 1 diện tích 7 x 7.8 mm được thể hiện như hình 3.6.
Hình 3.7. Hình dạng của anten 5.2 GHz sau khi căt bỏ 1 diện tích 7x7.8mm
Kết quả hệ số suy hao do phản xạ S11 sau khi chạy mô phỏng anten được thể hiện như hình 3.8.
Với hệ số suy hao do phản xạ S11=-10dB (tương ứng với hệ số sóng đứng VSWR=2), ta thấy băng thông của anten là 2.55 (3.626 GHz – 6.1746 GHz). Băng thông này đã giảm đi 180 MHz so với anten ban đầu.
Hình 3.9. So sánh kết quả S11 của anten 5.2 GHz trƣớc và sau khi cắt bỏ đi diện tích 7x7.8 mm
Bảng 3.2. So sánh băng thông anten trƣớc và sau khi cắt đi 1 diện tích 7x7.8 mm
Loại anten Dải tần Tần số cộng hưởng
Băng thông VSWR=2 ( S11=-10dB) Anten ban đầu 5.2 GHz 4.8 GHz 3.618 GHz – 6.3489 GHz (2.73 GHz) Anten cắt bỏ đi diện
tích 7x7.8
5.2 GHz 4.8 GHz 3.626 GHz – 6.1746 GHz (2.55 GHz)
Từ kết quả trên, ta nhận thấy Anten bị cắt đi diện tích 7x7.8mm vẫn có thể hoạt động được tại dải tần WLAN 5.2 GHz
3.3.2.2.Thiết kế thành phần bức xạ hoạt động tại dải tần 2.4 GHz.
Tính toán độ rộng W [6]:
(1.104) Hệ số điện môi hiệu dụng [6]:
Bước sóng [6]: = (1.106) Trong đó: c=300000000 m/s là tần số cộng hưởng là hệ số điện môi
Thay =2.45 GHz, =4.4 vào công thức trên ta thu được =74.56 mm
Ta lựa chọn chiều rộng W2 và chiều dài L2 cho thành phần bức xạ này là W2=L2= /8=9.32 mm
Để thu được anten có thể hoạt động tại 2 dải tần 5.2 GHz và 2.4 GHz. Ta ghép thành phần bức xạ 2.4 GHz vào thành phần bức xạ 5.2 GHz như hình 3.10.
Hình 3.10. Ghép anten 2.4 GHz vào anten 5.2 GHz
Đường tiếp điện cho thành phần bức xa 2.4 GHz được điều chỉnh thích hợp và có kích thước là 3 x 10 mm.
Hình 3.11. Hệ số S11 của anten 2.4 GHz và 5.2 GHz
Ta nhận thấy rằng anten đã hoạt động tại 2 dải tần là 2.4 GHz và 5.2 GHz. Nhưng tần số cộng hưởng tại dải tần 2.4 GHz là 2.42 GHz, vẫn chưa đạt được tần sô cộng hưởng trung tâm của dải tần 2.400 - 2.485 GHz là 2.45 GHz. Tại dải tần 5.2 GHz (5.180 GHz –5.320 GHz), tần số cộng hưởng đã đạt 5.2 GHz (nguyên nhân là do khi ghép thêm thành phần bức xạ tại dải tần 2.4 GHz thì sự phối hợp trở kháng tại dải tần 5.2 GHz đã tốt hơn và cộng hưởng tại tần số 5.2 GHz)
Bảng 3.3. Tần số cộng hƣởng và băng thông của anten với W1=17.6mm, L1=8.8mm. W2=L2=9.32mm
Dải tần Tần số cộng hưởng Băng thông VSWR=2 ( S11=-10dB) 5.2 GHz 5.2 GHz 3.851 GHz – 6.604 GHz (2.753 GHz) 2.4 GHz 2.42 GHz 2.2834 GHz – 2.548 GHz (264.6 MHz)
Từ kết quả trên ta nhấn thấy rằng, băng thông tại dải tần số 5.2 GHz là 2.753 GHz, không những bao phủ được dải tần 5.180 GHz- 5.320 GHz mà còn bao phủ được toàn bộ 2 dải WLAN 5 GHz còn lại là 5.500 GHz – 5.700 GHz và 5.745 GHz – 5.825 GHz. Băng thông tại dải tần 2.4 GHz là 264.6 MHz bao phủ toàn bộ dải tần 2.400 GHz – 2.485 GHz nhưng anten vẫn chưa cộng hưởng tại tần số trung tâm của dải tàn 2.4 GHz là 2.45 GHz. Vì vậy ta cần điều chỉnh một vài thông số để đạt được điều này.
Ta thay đổi chiều dài L2 và chiều rộng W2 của thành phần bức xạ 2.4 GHz từ 9.32mm về 9mm.
Hình 3.12. Anten 2.4 GHz và 5.2 GHz sau khi thay đổi L1, L2 và W2
Kết quả S11 sau khi đã thay đổi các thông số trên như hình 3.13:
Hình 3.14. Hệ số sóng đứng VSWR của anten sau khi thay đổi kích thƣớc
Hình 3.15. So sánh kết quả S11 trƣớc và sau khi thay đổi kích thƣớc
Từ kết quả trên ta nhận thấy rằng tại dải tần 2.4 GHz, anten đã cộng hưởng tại tần số trung tâm 2.45 GHz sau khi thay đổi kích thước L1=9mm, L2=W2=9mm.
Bảng 3.4. Tần số cộng hƣởng và băng thông của anten với W1=17.6mm, L1=9mm. W2=L2=9mm
Dải tần Tần số cộng hưởng Băng thông VSWR=2 (S11=-10dB) 5.2 GHz 5.2 GHz 3.7953 GHz – 6.6224 GHz (2.8271 GHz) 2.4 GHz 2.45 GHz 2.3124 GHz – 2.5695 GHz (257.1 MHz)
Từ bảng kết quả trên ta nhận thấy rằng anten sau khi thay đổi L1=9mm, W2=L2=9mm đã cộng hưởng tại tần số 2.45 GHz và 5.2 GHz. Tại dải tần 2.4 GHz, băng thông là 257.1 MHz với S11=-10dB, bao phủ hoàn toàn dải tần 2.4 GHz (2.400 GHz – 2.485 GHz). Tại dải tần 5.2 GHz, băng thông là 2.8271 GHz với S11=-10dB, không những bao phủ được dải băng tần 5.180 GHz – 5.320 GHz mà còn bao phủ được 2 dải băng tần còn lại 5.500 GHz – 5.700 GHz và 5.745 GHz – 5.825 GHz
Bảng 3.5. Băng thông tƣơng ứng của các dải tần WLAN [9] theo chuẩn Châu Âu
Dải tần Tần số Băng thông
tiêu chuẩn
Băng thông của anten được thiết kế (S11=-10dB)
2.4 GHz 2.400 GHz – 2.485 GHz 85 MHz 257.1 MHz (302.47%) 5 GHz 5.180 GHz – 5.825 GHz 645 MHz 2827.1 MHz (438.3%)
Như vậy, Băng thông của anten được thiết kế có thể hoạt động tại toàn bộ 2 dải tần số WLAN là 2.4 GHz và 5 GHz
Tiếp theo ta xem xét các giản đồ trường bức xạ của anten WLAN tại 2 dải tần số 2.4 GHz và 5 GHz. Ở đây ta chỉ quan tâm đến giản đồ bức xạ trường trong mặt phẳng E-plane và H-plane.
Hình 3.17. Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 5.2 GHz
Hình 3.19. Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 5.8 GHz
Hình 3.21. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 5.2 GHz
Hình 3.23. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 5.8 GHz
Từ các giản đồ bức xạ trên ta nhận thấy rằng đồ thị bức xạ của anten có dạng đẳng hướng, phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu đặt ra. Khi tần số tăng thì đồ thị bức