Thiết kế và mô phỏng anten pifa

Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa Thiết kế và mô phỏng anten pifa

MỤC LỤ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN: ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-Hà Nội, tháng 1 - 2022

Giảng viên hướng dẫn: Ts Tạ Sơn Xuất Nhóm sinh viên thực hiện:Nhóm 5 Phạm Thị Hương20192899 Nguyễn Thị Ngọc Linh20192968 Bùi Ngọc Tâm20193090

Lê Văn Kiều Quý20193070 Chu Văn Huy20192904

I GIỚI THIỆU 4

II LỊCH SỬ ANTEN PIFA 4

III LÝ THUYẾT VỀ ANTEN PIFA 5

1 Cấu trúc anten PIFA 5

2 Đặc tính 6

3 Nguyên lý hoạt động 7

4 Nguyên lý bức xạ 8

5 Ưu điểm và nhược điểm 8

6 Ứng dụng 9

IV THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA 10

1 Tính toán các thông số 10

2 Mô phỏng anten PIFA bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop 13

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

Hình 1: Lịch sử hình thành anten PIFA từ anten đơn cực (Monopole) 4

Hình 2: Hình ảnh thiết kế 3D của anten PIFA 5

Hình 3: Hình ảnh thiết kế anten PIFA nhìn từ trên xuống 5

Hình 4: Hình ảnh thiết kế anten PIFA nhìn chiếu cạnh 6

Hình 5: Mô hình điện 6

Hình 6: Anten PIFA 7

Hình 7: Cấu trúc anten PIFA 7

Hình 8: Antenna PIFA băng tần kép cho hệ thống wifi MIMO 9

Hình 9: Anten PIFA trong điện thoại di động 10

Hình 10: Thiết kế cấu trúc của anten PIFA đa băng 11

Hình 11: Anten PIFA thiết kế bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop 13

Hình 12: Đồ thị S(1,1) của anten PIFA 14

Hình 13: Đồ thị bức xạ 3D của anten tại 1.8 GHz 14 Hình 14: Đồ thị bức xạ 3D của anten tại 3.7 GHz 15 Hình 15: Đồ thị bức xạ tại 2 tần số 1.8 GHz và 3.7 GHz ( phi = 0 độ) 15

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Bảng thông số cấu trúc anten PIFA 12

I GIỚI THIỆU

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ kéo theo đó là việc phát triển các thiết bị đầu cuối trong truyền thông không dây đã trở thành một tất yếu Một thành phần quan trọng trong các thiết bị đầu cuối chính là anten Với cấu trúc đơn giản, kích thước, trọng lượng gọn nhẹ, chi phí chế tạo rẻ làm cho anten PIFA (Planar Inverted-F Antenna) đã và đang trở thành một trong những loại anten được sử dụng được sử dụng nhiều trong các hệ thống di động vừa và nhỏ

II LỊCH SỬ ANTEN PIFA

Anten PIFA là một loại anten được cải tiến dựa trên anten IFA (Inverted – F Antenna)

Nó được phát triển vào những năm 1980

Hình 1 bên dưới thể hiện quá trình hình thành lên anten PIFA:

 Anten ngược L (Inverted L) được tạo ra bằng cách gấp anten đơn cực (monopole) ,để giảm chiều cao của anten

 Khi nguồn cấp dữ liệu được áp dụng cho anten ngược L, ta được loại anten mới là anten ngược F (inverted F).

 Dây trên cùng mỏng của anten Inverted F được thay thế bằng phần tử mặt phẳng (planar) để có được anten PIFA (Planar Inverted-F Antenna).

Hình 1: Lịch sử hình thành anten PIFA từ anten đơn cực (Monopole).

III LÝ THUYẾT VỀ ANTEN PIFA

1 Cấu trúc anten PIFA

Anten PIFA là một anten phẳng hình F đảo ngược có cấu trúc như hình 2, 3, 4 bên dưới

Hình 2: Hình ảnh thiết kế 3D của anten PIFA

Anten được thiết kế có phần bức xạ chính là một patch mỏng, phẳng, có dạng hình chữ nhật đặt trên nền chất điện môi không dẫn điện có hằng số điện môi và chiều cao Miếng patch này được ghim xuống một mặt phẳng nối đất (Ground Plane) bởi một phiến mỏng có độ rộng Ws được gọi là Shorting sheet/pin (Short plate) Anten được tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc tiếp điện vi dải

Điểm khác biệt lớn nhất giữa anten PIFA với anten vi dải thông thường là sự xuất hiện của pin ở anten PIFA Pin thường được làm bằng vật liệu dẫn điện có thể có dạng hình trụ hoặc dạng tấm mỏng hình chữ nhật, nó có nhiệm vụ nối Patch với Ground, nó giúp làm giảm kích thước của anten Vị trí của pin, khoảng cách giữa pin và feed, hay kích thước, vật liệu của các phần tử khác đều ảnh hưởng nhất định tới tần số cộng hưởng của anten

Hình 3: Hình ảnh thiết kế anten PIFA nhìn từ trên xuống

Hình 4: Hình ảnh thiết kế anten PIFA nhìn chiếu cạnh

2 Đặc tính

 Tỉ lệ hấp thụ riêng SAR (Specific absorption rate) thấp

 Băng thông hẹp

 Phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng đối với anten PIFA được thực hiện bằng cách xác định vị trí đặt của Feed Plate và Short Plate và tối ưu hóa không gian giữa chúng Điều cốt lõi khi thiết kế anten PIFA là không dùng thêm bất kì một thành phần phụ nào để ghép nối mạng, vì vậy tránh được những tổn thất không đáng có

 Mô hình điện

Có thể coi phần ngắn mạch giống như điện cảm song song với Ground, còn phần

hở mạch ở bên trái có thể coi như những điện dung Khoảng cách từ miếng Feed đến Short Pin xác định điện cảm, tương ứng với nó, khoảng cách từ miếng Feed đến cạnh của Patch xác định điện dung

Hình 5: Mô hình điện

Những “điện cảm” và “điện dung” này tạo thành mạch dao động LC dao động với tần số f nào đó Điều chỉnh vị trí feed, kích thước của patch có thể cho ta được tần

số cộng hưởng mong muốn

3 Nguyên lý hoạt động

Anten PIFA thường được thiết kế để hoạt động với kích thước của miếng Patch bằng ¼ bước sóng cộng hưởng như hình 6 bên dưới Có được đặc điểm này là do sự xuất hiện của pin như đã nói ở phần trên, giúp giảm nhỏ kích thước của anten đi ½ lần

so với các anten vi dải khác (thường cộng hưởng với kích thước patch bằng ½ bước sóng hoạt động)

Hình 6: Anten PIFA

Trong hình, chúng ta có một PIFA có chiều dài L1, chiều rộng L2, pin có chiều rộng W Feed point cách shorting pin một khoảng D Anten PIFA ở độ cao h so với mặt đất (ground plane) Anten PIFA đặt trên một chất điện môi có hằng số điện môi là €r

Hình 7: Cấu trúc anten PIFA

Trở kháng của PIFA có thể được kiểm soát thông qua khoảng cách D Khoảng cách D càng nhỏ trở kháng sẽ giảm; trở kháng có thể được tăng lên bằng cách tăng khoảng cách D lên Anten PIFA có thể điều chỉnh trở kháng của nó với thông số này Tần số cộng hưởng của PIFA phụ thuộc vào W Nếu W = L2, thì anten PIFA có hiệu suất bức xạ tối đa (do cộng hưởng), khi đó ta có phương trình (1):

Giả sử rằng W = 0 hoặc giả sử W << L2 thì PIFA được cộng hưởng tại phương trình (2):

Nói chung, chúng ta có thể xấp xỉ chiều dài cộng hưởng của một chiếc PIFA như một hàm của các tham số như phương trình (3):

4 Nguyên lý bức xạ

Dạng bức xạ của anten PIFA là sự kết hợp giữa một anten bản vá (patch antenna)

và một Anten F đảo ngược (IFA) Một số sửa đổi, chẳng hạn như khe chữ U, có thể được kết hợp với PIFA để thu được nhiều cộng hưởng cần thiết trong thông tin di động

5 Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm

 Chế tạo dễ dàng, chi phí sản xuất thấp và cấu trúc đơn giản

 Có thể ẩn vào vỏ của điện thoại di động, có thể dễ dàng đặt trong các thiết bị

có kích thước nhỏ và trung bình

 Gain theo hai hướng phân cực dọc và ngang đều ở mức chấp nhận được Tính năng này rất hữu ích trong một số thông tin liên lạc không dây nhất định, nơi anten định hướng không cố định và các phản xạ có mặt từ các góc khác nhau của môi trường

 Ưu điểm của PIFA là giảm bức xạ ngược về phía đầu người dùng, giảm thiểu

sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ (SAR) với con người, đảm bảo sự an toàn cho người sử dụng Việc giảm thiểu sự hấp thụ sóng điện từ này giúp nâng cao hiệu suất làm việc của anten

 Nhược điểm

 Băng thông hẹp là nhược điểm của loại anten này Việc đặt Feed Plate và Short Plate là một cách rất tốt để giảm thiểu kích thước anten, nhưng đi cùng với nó

là giảm băng thông

 Ngoài ra, do có kích thước nhỏ, bất kì sự sai lệch nào cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả hoạt động của anten nên khó sản xuất trong điều kiện công nghiệp chế tạo tại Việt Nam Tuy nhiên, tùy vào thiết bị, yêu cầu thiết kế, ta sẽ phải

cân bằng giữa những ưu nhược điểm của anten PIFA để cải thiện băng thông như thay đổi chất nền hay hằng số điện môi của vật liệu

6 Ứng dụng

Với những ưu điểm của anten PIFA đã đề cập ở trên như: kích thước nhỏ so với anten nửa bước sóng, cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp có thể dễ dàng ẩn trong vào vỏ của các hệ thống di động có kích thước nhỏ và trung bình, nên anten PIFA là loại anten được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống di động như: điên thoại, wifi, thẻ RFID, WLAN (mạng cục bộ không dây) Ngoài ra, anten PIFA đa băng tần có thể được

sử dụng để kết hợp các nguồn cấp dữ liệu anten cho các thiết bị liên lạc không dây, hệ thống định vị vệ tinh và radio trên ô tô

Hình 8: Antenna PIFA băng tần kép cho hệ thống wifi MIMO

Hình 9: Anten PIFA trong điện thoại di động

IV THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA

1 Tính toán các thông số

a Yêu cầu bài toán

Thiết kế anten PIFA hoạt động tại 2 băng tần 1.8 GHz và 3.7 GHz

b Tính toán

 Chọn anten PIFA khe chữ L để thiết kế, tức là chèn thêm khe có hình dạng chữ L vào miếng patch

 Cấu tạo của anten gồm:

 Mặt phẳng GND hình chữ nhật kích thước 50mmx100mm

 Đế điện môi FR4_epoxy với hằng số điện môi ’=4.4, hệ số tổn hao vật liệuƐ tanδ=0.025 Đế điện môi có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước đáy là 30mmx50mm, bề dày Ts Đế điện môi được đặt ở chiều cao Hs so với mặt phẳng đất

 Miếng patch hình chữ nhật với kích thước LxW, nằm trên đế điện môi FR4_epoxy

 Khe chữ L được chia thành 2 phần: khe dọc và khe ngang Khe dọc hình chữ nhật có kích thước L2 x grosorv, khe ngang hình chữ nhật có kích thước là L3 x grosorh

 Anten được tiếp điện bằng cáp đồng trục bằng đồng có trở kháng đặc tính là 50

ôm, có đường kính ngoài D=1.4mm, đường kính lõi d=0.6mm Các thông số được tính toán trên trang web:

https://www.pasternack.com/t-calculator-coax-cutoff.aspx

Hình 10: Thiết kế cấu trúc của anten PIFA đa băng

 Tính toán các thông số của anten:

Với anten PIFA khe chữ L hoạt động ở hai băng tần, ta có công thức tính tần số như sau:

4 ( W )

c f





 

4 ( 2 3)

c F







Trong đó:

 c = 3.10 m/s8

 L, W lần lượt là chiều dài và chiều rộng của miếng patch

 h là chiều cao của miếng short plate

 L2, L3 là chiều dài của khe dọc và khe ngang tạo thành khe chữ L

 Ɛ là hằng số điện môi được tính theo công thức sau:

' ''

' ''

h

 



 



 với ’ = 4.4 là hằng số điện môi của đế điện môi FR4_epoxy,Ɛ

’’ = 1 là hằng số điện môi của miền không gian giữa mặt phẳng đất và tấm điện Ɛ

môi (ở đây là không khí),

Hs là chiều cao của tấm điện môi so với mặt phẳng đất,

Ts là bề dày của tấm điện môi

 Để thỏa mãn yêu cầu bài toán, chọn hai giá trị f=1.8 Ghz, F=3.7 GHz

 Tiếp theo ta chọn L2+L3=19mm

 Từ đó ta tính toán được các thông số còn lại của cấu trúc anten khe chữ L, được cho bởi bảng sau:

grosorv (chiều rộng của khe dọc) 1.5mm

grosorh (chiều rộng của khe ngang) 3mm

h (Chiều cao của miếng short plate) 6.06mm

w ( độ rộng của miếng short plate) 4mm

r (khoảng cách từ short plate đến tâm cáp đồng trục) 3mm

Bảng 1: Bảng thông số cấu trúc anten PIFA

 Chú ý:

Ngoài các thông số của anten được tính toán bởi công thức, thì các thông số khác như

độ rộng của miếng short plate (w), khoảng cách từ short plate đến feed plate (r) cũng ảnh hưởng đến tần số hoạt động của anten

7 Mô phỏng anten PIFA bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop

 Sau khi tính toán các thông số của cấu trúc anten PIFA, ta tiến hành mô phỏng cấu trúc anten bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop

 Các bước mô phỏng chính:

 Vẽ mặt phẳng đất, miếng patch, short plate và đế điện môi với các thông số đã tính toán Sau đó, đổi vật liệu cho đế điện môi thành FR4_epoxy, gán vật liệu cho mặt phẳng đất, miếng patch và short plate là đồng

 Tạo khe chữ L

Ta vẽ 2 hai hình chữ nhật là khe dọc và khe ngang, sau đó Unite hai hình này lại

Để tạo khe chữ L, ta dùng công cụ Subtract để tạo khe chữ L trong miếng patch

 Tiếp điện cho anten

Vẽ cáp đồng trục với đường kính ngoài D=0.7mm, đường kính lõi d=0.3mm Để tiếp điện, ta vẽ một hình tròn nằm ở đáy của cáp đồng trục, có tâm trùng với cáp đồng trục và có đường kính bằng D’=0.7mm Sau đó dùng công cụ lumped port,

vẽ một đường từ vòng ngò

 Tạo miền bức xạ cho anten

 Cài đặt các thông số cho anten

 Kiểm tra và chạy mô phỏng

Hình 11: Anten PIFA thiết kế bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop

 Cuối cùng chạy mô phỏng và ta thu được kết quả:

Hình 12: Đồ thị S(1,1) của anten PIFA

Hình 13: Đồ thị bức xạ 3D của anten tại 1.8 GHz

Hình 14: Đồ thị bức xạ 3D của anten tại 3.7 GHz

Hình 15: Đồ thị bức xạ tại 2 tần số 1.8 GHz và 3.7 GHz ( phi = 0 độ)

=> Ta thấy anten hoạt động tại hai băng tần 1.8GHz và 3.7GHz, thỏa mãn yêu cầu bài toán đưa ra

V TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Constantine A Balanis, “Antenna Theory Analysis and Design”, Fourth Edition

2 “PIFA - The Planar Inverted-F Antenna”,

https://www.antenna-theory.com/antennas/patches/pifa.php

3 Pimienta-Del Valle Domingo, Lagar-Pérez Raidel “Design of a Dual-Band PIFA for Handset Devices and it SAR Evaluation”, 2015