bài tập lớn về công nghệ băng thông siêu rộng UWB

Nhìn chung, cơng nghệ băng thơng siêu rộng chủ yếu hướng tới các thiết bị di động, cầm tay… Điều đĩ đồng nghĩa với việc anten được thiết kế phải cĩ hình dạng, kích thước nhỏ anten vi dải

A Giới thiệu chung:

Cơng nghệ băng thơng siêu rộng UWB (Ultra-WideBand) đang được xem như một cơng nghệ khơng dây của tương lai với ưu điểm nổi trội cho phép truyền tốc độ dữ liệu cao cũng như giảm thiểu được tác động của hiện tượng đa đường so với các cơng nghệ xuất hiện trước nĩ UWB hoạt động ở dải tần khơng cần đăng ký từ 3,1GHz - 10,6GHz UWB được sử dụng trong các hệ thống vơ tuyến trong nhà tốc độ cao, các hệ thống khơng dây địi hỏi tiêu tốn năng lượng cực ít, mạng vơ tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network), mạng vơ tuyến nội hạt (WLAN) cỡ nhỏ, hệ thống Rada dị tìm, định vị trong quân sự…

UWB cho phép truyền và thu nhận các xung dạng cơ bản được nén trong miền thời gian khác với việc truyền và thu nhận các sĩng hình sin liên tục được nén trong miền tần số như trong các hệ thống thu phát truyền thống Điều đĩ làm cho cơng nghệ UWB về căn bản khác so với các cơng nghệ khơng dây băng hẹp và trải phổ tương đương trước đĩ như cơng nghệ Bluetooth và 802.11a/b UWB sử dụng một băng cực rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu Do đĩ, UWB cĩ khả năng truyền tải nhiều dữ liệu hơn so với các cơng nghệ vơ tuyến truyền thống

Cơng nghệ UWB ra đời cĩ tầm ảnh hưởng quan trọng, mở ra những cơ hội và thách thức mới cho các nhà sản xuất anten Điểm quan trọng nhất trong thiết kế anten UWB là việc anten phải đạt được một băng thơng rộng, trong khi vẫn phải duy trì được hiệu suất bức

xạ cao trên tồn băng [3] Một anten UWB phải cĩ khả năng hoạt động trên cả dải tần 3,1-10,6GHz Một thơng số quan trọng khác của UWB là độ trễ nhĩm (group delay) Độ trễ nhĩm được định nghĩa là đạo hàm của pha gốc tín hiệu anten Nếu pha là tuyến tính trên tồn bộ dải tần thì độ trễ nhĩm là hằng số Đây là đặc tính quan trọng thể hiện chất lượng truyền đi một xung UWB và mức độ bị ảnh hưởng méo hay tán sắc của xung đĩ

Đồ thị bức xạ và hiệu suất bức xạ cũng là những đặc tính quan trọng được xem xét khi thiết kế anten Đồ thị bức xạ đẳng hướng là một tiêu chí thiết kế mong muốn, cĩ thể cho phép đặt vị trí máy thu và phát ở các vị trí khơng cố định Do đĩ đối với việc thiết kế anten cho cơng nghệ băng thơng siêu rộng phải cĩ những yêu cầu nhất định Nhìn chung, cơng nghệ băng thơng siêu rộng chủ yếu hướng tới các thiết bị di động, cầm tay… Điều

đĩ đồng nghĩa với việc anten được thiết kế phải cĩ hình dạng, kích thước nhỏ (anten vi dải) cho phép tích hợp vào trong các thiết bị

Dải tần số hoạt động 3.1GHz – 10.6GHz

Hiệu suất bức xạ Cao > 70%

Pha Gần tuyến tính, trễ nhĩm khơng đổi

Đồ thị bức xạ Đẳng hướng

Độ rộng búp sĩng nửa

0

Hình dạng Nhỏ, gọn, đồng phẳng

Hệ số định hướng & Hệ

số tăng ích

Thấp

Bảng 1 Yêu cầu của anten cho thiết bị di động băng thơng siêu rộng

Để tạo anten vi dải băng rộng cần dựa vào những anten băng rộng cơ bản, sau đĩ tìm cách thay đổi hình dạng và kích thước dựa trên các nguyên lý tạo anten dải rộng Anten

vi dải có thể cộng hưởng ở nhiều tần số khác nhau, tùy thuộc vào hình dạng miếng bức

xạ, vì thế có thể có được một anten băng rộng bằng cách thay đổi sao cho các tần số cộng hưởng gần với nhau

1 Phương pháp thiết kế anten vi dải UWB

Các bước thiết kế anten được sử dụng ở đây bao gồm:

Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp

Mô hình anten vi dải được đưa ra có thể được tích hợp cho các thiết bị di động sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng Mô hình anten vi dải thiết kế là một anten monopole đồng phẳng bức xạ đẳng hướng với kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản và được sản xuất bằng công nghệ mạch in nên giá thành rẻ Với cấu trúc phẳng, anten có thể được dùng trong các thiết bị của hệ thống máy tính cá nhân hoặc các thiết bị cầm tay trong nhà…

Chọn nguyên lý tạo anten băng rộng thích hợp để thiết kế

Về mặt lý thuyết, có 3 nguyên lý cơ bản để tạo băng rộng cho anten [5]: nguyên lý biến đổi từ từ, nguyên lý tương tự, nguyên lý tự bù Trên thực tế, các nhà thiết kế có thể sử dụng rất nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo băng rộng cho anten Trong mô hình thiết kế anten vi dải UWB này, nguyên lý biến đổi từ từ đã được chọn sử dụng để tạo băng rộng bằng cách tăng dần dần kích thước của đường tiếp điện từ ống dẫn sóng đồng phẳng ra miếng bức xạ của anten

Chọn phương pháp tiếp điện thích hợp

Trong quá trình thiết kế anten, lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng Đối với anten vi dải, có 3 cách tiếp điện thông dụng là: tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng 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

Tính toán thiết kế và sử dụng phần mềm mô phỏng

Từ các nguyên lý cơ bản và các kỹ thuật tạo băng thông siêu rộng cho anten vi dải, giải pháp đưa ra là kết hợp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) để tính toán thiết kế anten và sử dụng phần mềm Ansoft HSFF để mô phỏng kết quả

2 Kết quả thiết kế và mô phỏng

2.1 Anten cơ bản

Mô hình anten cơ bản được chọn là anten monopole hình chữ nhật, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng, được in trên một lớp đế bằng điện môi có chiều dày h=0.5mm Do UWB có dải tần hoạt động từ 3,1GHz - 10,6 GHz nên khi thiết kế anten sẽ chọn tần số cộng hưởng trung tâm vào khoảng 7GHz Khi đó, kích thước của miếng bức xạ (monopole) sẽ phụ thuộc vào tần số trung tâm, độ rộng của băng tần và hằng số điện môi hiệu dụng của lớp đế [1] Kích thước tính toán cụ thể của anten cơ bản như ở Hình 1

Hình 1 Anten cơ bản

Kích thước của đường dẫn điện ở giữa, kích thước của khe hẹp và hằng số điện môi tương đối của lớp đế sẽ quyết định trở kháng đặc tính của ống dẫn sóng đồng phẳng Với kích thước ghi trên hình 1, khi chọn lớp đế làm bằng FR4 có ε= 4.4, thì trở kháng đặc tính thu được là 50 Ohm

Từ các yêu cầu của anten cho công nghệ băng thông siêu rộng có thể chọn các thông số

tỷ số điện áp sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), đồ thị bức xạ và hệ số tăng ích để đánh giá anten Đối với các anten thiết kế, yêu cầu phải đạt VSWR < 2 trong dải tần số hoạt động [1] (Điều này tương đương với việc trong nhiều thiết kế anten sử dụng tiêu chí đánh giá hệ số tổn hao ngược RL-Return Loss nhỏ hơn -10dB trong dải tần

số hoạt động)

Hình 2: Kết quả mô phỏng VSWR của anten cơ bản

Từ đồ thị mô phỏng VSWR có thể thấy giá trị VSWR< 2 chỉ đạt được trong khoảng tần

số từ 3,2GHz – 9,5GHz, do đó anten này chưa đảm bảo hoạt động tốt trong dải tần của UWB (3,1GHz - 10,6GHz)

2.2 Mô hình anten vi dải UWB

Mô hình anten vi dải UWB được thiết kế dựa trên mô hình anten cơ bản đã được trình bày trong 3.1 Anten UWB được tạo ra bằng cách sử dụng nguyên lý biến đổi từ từ để tạo băng rộng nhờ việc tăng dần dần kích thước của đường tiếp điện từ ống dẫn sóng đồng phẳng ra miếng bức xạ của anten

Anten vi dải UWB có kích thước 30 x 40 mm, được in trên lớp đế FR4 có ε = 4.4 và chiều dày 0.5 mm, với bộ biến đổi từ từ như trên Hình 3

Hình 3: Anten vi dải UWB

Dưới đây là một số kết quả mô phỏng cho mô hình anten UWB được thiết kế ở trên Ở Hình 4, có thể thấy giá trị VSWR < 2 trong dải tần của UWB (3,1GHz - 10,6GHz) Hình 5 biểu diễn đồ thị bức xạ của anten ở 3.5GHz và 9GHz trong 2 mặt phẳng 0º và 90º Qua đồ thị có thể thấy đồ thị bức xạ anten được thiết kế gần đạt đẳng hướng trong toàn dải tần số hoạt động Hình 6 là đồ thị tăng ích của anten

Hình 4: Kết quả mô phỏng VSWR của anten vi dải UWB

Hình 5: Đồ thị bức xạ của anten UWB ở tần số 3,5GHz và 9 GHz

Hình 6- Đồ thị tăng ích của anten vi dải UWB

Hình 7 Một mẫu anten UMB được thiết kế

3 Kết luận

Mẫu anten vi dải UWB được thiết kế cĩ băng thơng bao trùm dải tần từ 3,1GHz đến 10,6GHz, đảm bảo bức xạ đẳng hướng trên tồn bộ băng tần, kích thước nhỏ, cấu hình đơn giản, dễ chế tạo Ở tần số cao, đồ thị bức xạ của các anten thơng thường cĩ xu hướng

bị méo Ở mơ hình anten vi dải UWB thiết kế, khi xét đến tần số 11GHz, anten vẫn đạt bức xạ đẳng hướng Anten này đã đáp ứng được yêu cầu của anten cho các thiết bị di động sử dụng cơng nghệ băng thơng siêu rộng

B Sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi dải

Phương pháp FDTD được cơng bố đầu tiên bởi Yee năm 1966 [1] là một phương pháp đơn giản và hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell Tuy mới bắt đầu cĩ những ứng dụng vào các cấu trúc bức xạ đầu những năm 90, ngày nay FDTD đã rất mạnh trong việc mơ phỏng anten

1 SƠ LƯỢC:

Phương pháp FDTD được cơng bố đầu tiên bởi Yee năm 1966 [1] là một phương pháp đơn giản và hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell Tuy mới bắt đầu cĩ những ứng dụng vào các cấu trúc bức xạ đầu những năm 90, ngày nay FDTD đã rất mạnh trong việc mơ phỏng anten Các kỹ thuật hỗ trợ cho FDTD đã phát

triển đầy đủ để có thể cấu trúc cho một mô hình anten phức tạp FDTD đặc biệt có thể mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các tham số môi trường tác động lên anten Các anten sử dụng trong các hệ thống tên lửa, vệ tinh tàu không gian, hoặc trong thông tin di động, truyền thông vô tuyến,… phải thỏa mãn một số yêu cầu kỹ thuật như sau: kích thước nhỏ gọn, nhẹ, cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt, chi phí thấp,… Những yêu cầu này có thể đáp ứng bằng cách sử dụng anten vi dải (microstrip antenna) Anten microstrip có đặc điểm là bền chắc, dễ sản xuất hàng loạt dựa trên kỹ thuật mạch

in hiện đại Hơn nữa, khi ở một mode (chế độ) hoạt động với hình dạng nhất định, anten microstrip lại rất linh hoạt về tần số cộng hưởng, trở kháng, đặc tính phân cực Anten microstrip có cấu trúc hình học phức, do đó gặp nhiều khó khăn để tính toán bằng các phương pháp khác Bài viết giới thiệu phương pháp FDTD như là một phương pháp hữu

hiệu để tính toán anten vi dải

2 MÔ PHỎNG BÀI TOÁN ANTEN MICROSTRIP BẰNG PHƯƠNG PHÁP FDTD Bài toán anten microstrip

Cho một anten microstrip là một tấm kim loại hình vuông được dán trên một tấm điện môi là mạch in Anten được kích thích bằng một cáp đồng trục xuyên qua lớp điện môi Cho rằng kích thước tấm điện môi và mặt phẳng đất là hữu hạn Dùng phương pháp FDTD nghiên cứu các đặc tính bức xạ, trở kháng đặc tính của anten

Phân tích lý thuyết

Hình 8 Cấu trúc của anten vi dải

Mô hình dùng để phân tích ở đây dựa trên mô hình của 3 nhà khoa học E.Nishiyama, M Aikawa (Saga University, Japan) và S.Egashira (Sojo University, Japan) được công bố vào tháng 11-2001 [4] Sở dĩ chọn mô hình này vì đây là một mô hình thực tế có thể thi công và đo đạc cũng như có thể so sánh với các kết quả thực nghiệm đo đạc của họ

Cấu trúc anten vi dải như ở hình 8 Tấm kim loại hình vuông kích thước lf x lf được đặt trên một tấm điện môi kích thước lg x lg có hằng số điện môi εr=2.15, tấm điện môi có bề

dày d = 0.8mm)

Tính toán mô hình anten microstrip

Không gian và thời gian rời rạc

Các thông số của anten microstrip, tấm kim loại hình vuông kích thước lf x lf (12.3

12.3mm) được đặt trên một tấm điện môi kích thước lg x lg (24.6 24.6mm) có hằng số

điện môi εr=2.15, tấm điện môi có bề dày d = 0.8mm)

Chúng ta sẽ rời rạc hóa không gian bằng các lưới 3D Tấm kim loại được chia thành 20 x

20 mắt lưới, bề dày lớp điện môi là một tế bào, Δx=Δy= 0.615mm, Δz=0.8mm Kích

thước mặt phẳng đất và tấm điện môi là 40Δx x 40Δy kích thước của tấm kim loại là 20Δx x 20Δy Kích thước của không gian tính toán là 80Δx x 80Δy x 20Δz Ta chọn bước thời gian thỏa điều kiện Courant như sau:

(1)

Ta chọn Δt = 1.2744 ps

Nguồn kích thích

(2)

Trong đó fc, f0, và As là tần số trung tâm, băng thông 3dB và biên độ của nguồn Jf

Mặt phân cách điện môi không khí

Vì tấm kim loại được đặt trên lớp điện môi, nên mặt trên tấm kim loại tiếp xúc với không khí còn mặt dưới tiếp xúc với điện môi Các thành phần tiếp tuyến trên bề mặt kim loại bằng 0 trong suốt thời gian tính toán Ở các điểm cần tính trường trên và dưới tấm kim loại, chúng ta sẽ tính với hằng số điện môi chính xác là giá trị điện môi của không khí và

của tấm điện môi Đối với thành phần trường tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc, chúng ta áp dụng hằng số điện môi

Tính trở kháng vào:

Trong quá trình mô phỏng FDTD theo thời gian chúng ta lưu các giá trị dòng và áp tại điểm kích thích cho anten, sau đó dùng các giá trị này để tính toán trở kháng vào cho anten

(4)

Với V(t) và I(t) là điện áp và dòng tại điểm kích thích (if, jf, kf+1/2) V(t) và I(t) được tính như sau:

(5)

Kết quả mô phỏng

Hình 2 là phân bố cường độ điện trường Ez dưới bề mặt tấm dẫn kim loại Hình 3 là phân

bố cường độ điện trường Ez trên bề mặt tấm dẫn kim loại Sóng bắt đầu được kích thích (hình 2a) và lan truyền ra xa Điện tích tập trung trên các mép của tấm kim loại tạo nên giá trị trường rất lớn tại đây và tại đây trường điện sẽ bức xạ ra vùng xa Có một sự luân phiên theo chu kỳ của giá trị cực đại trường điện phân bố đều cho hai cặp đỉnh đối diện Hiện tượng này là do kích thích đối xứng vì vậy cũng tạo ra bức xạ vùng xa đối xứng

Hình 9 Cường độ trường phân bố dưới bề mặt tấm dẫn của anten microstrip Kích thích

xung Gauss điều chế bởi sóng sin

Hình 10 Cường độ trường phân trên bề mặt tấm dẫn của anten microstrip Kích thích

xung Gauss điều chế bởi sóng sin

Hình 11 Trở kháng nhập theo tần số a) Kết quả mô phỏng của tác giả b) Kết quả của E Nishiyama, M Aikawa

Hình 12 Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR = Voltage standing - wave ratio) theo tần số

Kết quả tính băng thông cho anten microstrip hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu

khác

Băng thông

Phương pháp FDTD Công thức 5-77 (Sách Antenna Theory and Design [3])

2.14% 2.01%

Sai số : 5.5%

So sánh kết quả

Hình 11 (a) là kết quả tính trở kháng nhập của tác giả, kết quả này hoàn toàn phù hợp với

kết quả của E.Nishiyama, M Aikawa (Hình 11b)

KẾT LUẬN

Áp dụng phương pháp FDTD cho bài tốn anten microstrip chứng tỏ tính khả thi của phương pháp khi mơ hình các vật cĩ cấu hình phức tạp Anten microstrip cần tiếp tục nghiên cứu, bởi vì sự đa dạng của loại anten này, tính thực tế ứng dụng cao, và FDTD thực sự chứng tỏ khả năng cĩ thể mơ hình các anten cĩ độ phức tạp cao Bài tốn anten microstrip cho thấy rõ hiệu quả và tiềm năng thực sự của FDTD FDTD là kỹ thuật mơ phỏng rất linh hoạt cĩ thể mơ phỏng được nhiều bài tốn phức tạp

Bài tốn anten microstrip cũng cần phải mở rộng cho nhiều kiểu kích thích khác nhau Cũng như cĩ thể mơ phỏng nhiều loại anten microstrip cĩ nhiều hình dạng tấm patch khác nhau như tấm patch trịn, ellipse… Để cĩ thể mở rộng các ứng dụng của phương pháp FDTD, cần phải bổ sung một số lý thuyết mới Chẳng hạn như lưới khơng trực giao, lưới con hay lưới conformal dùng để mơ hình các mặt cong hay các mặt bất kỳ.Cuối cùng nghiên cứu phương hướng khắc phục điểm yếu cố hữu của FDTD: đĩ là nghiên cứu rút gọn tính tốn cho FDTD, nghiên cứu các mơ hình, thuật tốn tối ưu cho một bài tốn FDTD

Tĩm lại cĩ ba hướng nghiên cứu chính của FDTD: mở rộng lý thuyết và lĩnh vực ứng dụng của phương pháp FDTD, tăng độ chính xác của kết quả bài tốn bằng các mơ hình chính xác và cuối cùng giảm tối đa thời gian mơ phỏng FDTD

C Tiến hành do:

1 Dụng cụ đo:

- Máy đo ROHDE AND SCHWARZ ( 300KHZ -> 8GHZ )

- Cáp đo SUCOFLEX 104 chiều dài 1m

- Bộ cân chỉnh trở kháng ROHDE AND SCHWARZ

- Anten vi dải

2 Trình tự đo:

- Thiết lập các thông số đo theo yêu cầu của hệ thống Anten – Feeder cần

đo kiểm Ta chọn tần số f=3Ghz

- Calibrate hệ thống máy đo theo chế độ đo Return Loss và đo trở kháng

- Cân chỉnh lại trở kháng cho phù hợp trước khi tiến hành đo (trường hợp này là 50 Ohm)

• Hình máy đo ROHDE AND SCHWARZ