Nghiên cứu anten vi dải và áp dụng để thiết kế anten cho hệ thống WLAN 2.4 GHz (2400 2485 MHz) và LTE 2.6 GHz (2500 2690 MHz)

Ngày nay, với sự bùng nổ của ngành công nghiệp truyền thông, các phương tiệnthông tin liên lạc cố định cũng như di động đã được sử dụng trong hầu hết mọi hoạtđộng sinh hoạt, lao động sản xuất hàng ngày. Đã có rất nhiều hệ thống thông tin vôtuyến được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người.Bên cạnh sự bùng nổ về công nghệ lõi, giữa các nhà sản xuất còn có sự chạy đua vềmặt công nghệ chế tạo để tạo ra những thiết bị di động ngày càng nhỏ gọn, thỏa mãnnhu cầu di động của con người.Anten là thiết bị để truyền đạt và thu nhận tín hiệu, nó là thành phần quan trọngđầu tiên mà mỗi thiết bị di động đều phải có. Để có thể tích hợp trong các thiết bị diđộng ngày càng nhỏ, yêu cầu đặt ra là phải thu nhỏ kích thước anten mà vẫn đảm bảocác chỉ tiêu kỹ thuật cũng như hiệu suất bức xạ. Từ đầu những năm 1970, sự ra đờivà đi vào ứng dụng của anten vi dải đã giải quyết được phần nào vấn đề này. Đặcđiểm nổi bật của nó là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và đặc biệt dễ dàng tích hợpvới hệ thống xử lý tín hiệu. Ngày nay, anten vi dải được sử dụng rất rộng rãi trongcông nghệ di dộng, mạng WLAN, anten thông minh và các hệ thống tích hợp siêucao tần.

1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự bùng nổ của ngành công nghiệp truyền thông, các phương tiện thông tin liên lạc cố định cũng như di động đã được sử dụng trong hầu hết mọi hoạt động sinh hoạt, lao động sản xuất hàng ngày Đã có rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người Bên cạnh sự bùng nổ về công nghệ lõi, giữa các nhà sản xuất còn có sự chạy đua về mặt công nghệ chế tạo để tạo ra những thiết bị di động ngày càng nhỏ gọn, thỏa mãn nhu cầu di động của con người

Anten là thiết bị để truyền đạt và thu nhận tín hiệu, nó là thành phần quan trọng đầu tiên mà mỗi thiết bị di động đều phải có Để có thể tích hợp trong các thiết bị di động ngày càng nhỏ, yêu cầu đặt ra là phải thu nhỏ kích thước anten mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như hiệu suất bức xạ Từ đầu những năm 1970, sự ra đời

và đi vào ứng dụng của anten vi dải đã giải quyết được phần nào vấn đề này Đặc điểm nổi bật của nó là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và đặc biệt dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Ngày nay, anten vi dải được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ di dộng, mạng WLAN, anten thông minh và các hệ thống tích hợp siêu cao tần

Mục đích của đề tài là nghiên cứu anten vi dải và áp dụng để thiết kế anten cho

hệ thống WLAN 2.4 GHz (2400  2485 MHz) và LTE 2.6 GHz (2500  2690 MHz) Trên cơ sở đó, chế tạo và thử nghiệm anten để chứng minh rằng với kích thước nhỏ gọn và các chỉ tiêu kĩ thuật đảm bảo, anten chế tạo ra hoàn toàn có thể tích hợp được vào các thiết bị cầm tay hiện nay

Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và tiến hành mô phỏng, nhóm đã tiến hành chế tạo và thử nghiệm một mẫu anten Kết quả thực tế cho thấy anten đề xuất hoàn toàn có thể đáp ứng đủ yêu cầu mà nhóm đã đặt ra Dải tần hoạt động bao phủ hoàn toàn dải tần của WLAN 2.4 GHz và 4G LTE 2.6 GHz, bức xạ đẳng hướng với gain > 1.6 dBi đảm bảo cho anten thu tốt tín hiệu từ mọi phía, kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo Quá trình phân tích, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm sẽ được trình bày rõ hơn trong ở những phần sau

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS TS Vũ Văn Yêm, người đã theo dõi sát sao và hướng dẫn tận tình để nhóm có thể hoàn thành đề tài này Cảm ơn các thành viên trong nhóm đã hợp tác và phối hợp chặt chẽ, cùng nhau giả quyết tận cùng bài toán đặt ra Xin chân thành cảm ơn!

2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1 Hệ thống Wireless LAN (WLAN) 3

1.1 Lịch sử phát triển 3

2 Hệ thống LTE 4G 4

2.1 Đặc điểm 4

2.2 Dải tần hoạt động 5

3 Cơ sở lý thuyết anten vi dải 6

3.1 Cấu trúc anten vi dải 6

3.2 Nguyên lý hoạt động 8

3.3 Các phương pháp tiếp điện 9

YÊU CẦU THIẾT KẾ 11

1 Yêu cầu thiết kế 11

1.1 Yêu cầu kỹ thuật 11

1.2 Yêu cầu về mặt công nghệ chế tạo 11

2 Phân tích và hướng thiết kế 11

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 13

1 Thực hiện thiết kế 13

1.1 Thiết kế đường tiếp điện 13

1.2 Mô hình thiết kế 14

2 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế 16

2.1 Kết quả mô phỏng 16

2.2 Kết quả đo đạc thực tế 24

3 Kết luận 25

KẾT LUẬN CHUNG 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Hệ thống Wireless LAN (WLAN)

WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là không khí Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau

1.1 Lịch sử phát triển

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản

xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời

Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng

băng tần 2.4Ghz Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần

số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung

Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết

với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz

Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn

802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu) Và những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc

độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật để so sánh với mạng có dây

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể

truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps

4

2 Hệ thống LTE 4G

LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution), công nghệ này được coi như

công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như

3,9G) 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho

điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc

độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP (Dự án đối tác thế hệ thứ 3) ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được

mô tả trong Phiên bản 9

2.1 Đặc điểm

Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G Một lượng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn

IP E-UTRA là giao diện vô tuyến của LTE Nó có các tính năng chính như sau:

- Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng 5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã được xác định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng

20 MHz

- Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5 ms cho các gói

IP nhỏ trong điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ

- Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần

- OFDMA được dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất

- Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến

- Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng của ITU-R

- Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,

10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn

- Hỗ trợ hoạt động với các chuẩn cũ

- Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

2.2 Dải tần hoạt động

Công nghệ LTE 4G hiện tại đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới Theo số liệu thống kê tính đến 8/5/2012, đã có 98 quốc gia trên thế giới chấp nhận công nghệ LTE 4G với hơn 300 nhà cung cấp dịch vụ Bản đồ bao phủ của công nghệ LTE được thể hiện dưới đây:

Các quốc gia đã triển khai 4G LTE

Các quốc gia đang triển khai hoặc đã lên kế hoạch triển khai 4G LTE

Các quốc gia đang thử nghiệm hệ thống 4G LTE

Tham khảo: www.gsacom.com

Tùy theo điều kiện địa lý từng khu vực và hiện trạng sử dụng dải tần số của từng quốc gia mà băng tần dành cho 4G LTE được ấn định là khá đa dạng trên toàn cầu Khảo sát ở một số quốc gia tiêu biểu, dải tần dành cho 4G LTE được thể hiện ở bảng dưới đây:

dẫn

(MHz)

Khoảng cách song công (MHz)

EMEA: Châu Âu

NAR: Bắc Mỹ Tham khảo: http://niviuk.free.fr/lte_band.php

3 Cơ sở lý thuyết anten vi dải

Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc mạch dải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởi Deschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vào thực tế Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell và Munson Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, và đặc biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh…

3.1 Cấu trúc anten vi dải

Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe.Mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là là anten mạch

hình vuông hình elip

hình vòng nhẫn

hình đĩa

 Anten dipole mạch dải

Gồm các tấm dẫn điện như anten mạch dải dạng tấm Tuy nhiên, anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả hai phía của lớp điện môi

 Anten khe mạch dải

8

 Anten mạch dải sóng chạy

Gồm các đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tấm điện môi

3.2 Nguyên lý hoạt động

Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa tấm patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt tấm patch Khi tiếp điện vào tấm patch có chiều dài bằng nửa bước sóng của tần số hoạt động, phân bố điện tích ở cả mặt trên, mặt dưới tấm patch và mặt phẳng đất được mô tả như hình dưới đây

Lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu ở mặt dưới tấm patch làm một số điện tích bay vòng lên mặt trên tấm patch gây ra dòng Jb và Js Do tỉ số h/W nhỏ nên lực hút giữa các điện tích trái dấu ở mặt trên của lớp GND và mặt dưới của tấm Patch là rất lớn, do đó, điện tích tập trung chủ yếu ở mặt dưới tấm patch Mặt khác, do lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu làm cho mật độ điện tích tập trung chủ yếu tại cạnh của phiến bức xạ Xuất hiện hiệu ứng vùng biên (fringing field) Để đạt đươc hiệu suất bức

xạ tốt hơn, người ta thường sử dụng một lớp đế mỏng với hằng số điện môi thấp

9

Sóng điện từ từ tấm phía trên, đi qua tấm điện môi, sau đó phản xạ trên mặt đất

và bức xạ vào không gian phía trên

3.3 Các phương pháp tiếp điện

Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten vi dải như là: tiếp điện bằng đường vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW), tiếp điện bằng cách ghép khe, ghép gần, v v Tuy nhiên, trong giới hạn thực hiện, nhóm chỉ tìm hiểu ba phương pháp là tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coax-feed), tiếp điện bằng đường truyền vi dải (microstrip line) và tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng (Co-planar WaveGuide)

a) Tiếp điện bằng cáp đồng trục

Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm dẫn điện Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng không

10

b) Tiếp điện bằng đường truyền vi dải (Microstrip Line)

Phương pháp này dễ thực hiện hơn cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải

có độ dài g/4 để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50  tới trở kháng vào của anten

c) Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng (Co-planar WaveGuide)

Trong phương pháp tiếp điện này, đất (GND) và tấm bức xạ (Patch) nằm trên cùng một mặt phẳng, về một phía của tấm đế điện môi

Ưu điểm vượt trội của phương pháp tiếp điện này là cho băng thông rộng hơn hẳn hai phương pháp tiếp điện trên (đường truyền vi dải và cáp đồng trục) Do đó, với những thiết kế yêu cầu anten có băng thông lớn thì kỹ thuật tiếp điện bằng đường truyền vi dải cũng là một giải pháp khá tốt

11

YÊU CẦU THIẾT KẾ

1 Yêu cầu thiết kế

1.1 Yêu cầu kỹ thuật

 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 được vào thiết bị

 Băng thông

Anten phải hoạt động được trong cả dải tần của Wireless LAN (2400 

2485 MHz) và LTE 4G (2500  2690 MHz – Theo chuẩn Châu Âu)

 Bức xạ

Do tích hợp trong thiết 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

 Độ tăng ích anten

Do bức xạ đẳng hướng nên yêu cầu về tăng ích chỉ là >= 1.6 dBi (cũng tương đương với các anten cho thiết bị di động hiện nay trên thị trường)

1.2 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 phải rẻ

2 Phân tích và hướng thiết kế

Từ bài toán đặt ra ở trên, nhóm đã bàn bạc và thống nhất phương pháp cũng như cách thức thiết kế như sau:

 Giải pháp về thiết kế

- Áp dụng cấu trúc vi dải để thiết kế anten yêu cầu

- Thiết kế anten có băng thông bao trọn dải tần số từ 2400  2690 MHz Do băng thông yêu cầu thiết kế là khá lớn (>= 290 MHz) nên giải pháp sử dụng ở đây là tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng

- 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 mà bài toán thiết kế đặt ra

 Giải pháp về công nghệ chế tạo

- Công nghệ chế tạo anten được áp dụng là công nghệ mạch in Nó không những đáp ứng được yêu cầu về mặt kích thước mỏng, nhẹ mà còn đáp ứng được yêu cầu về giá thành rẻ, có thể chế tạo đơn chiếc để thử nghiệm

- Như đã nói ở trên, vật liệu làm đế điện môi là FR4 1,6 mm Loại vật liệu này có độ suy hao khá cao, hơn nữa, kích thước lớp đế chưa chắc đã được chuẩn 1,6 mm nên chắc chắn giữa thử nghiệm thực tế và mô phỏng sẽ có một vài sai lệch nhỏ

13

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

1 Thực hiện thiết kế

1.1 Thiết kế đường tiếp điện

Để tính toán kích thước của đường tiếp điện, nhóm đã tham khảo công thức gốc

ở trang 79, cuốn Transmission Line Design Hanbook, viết bởi Brian C Wadell, do nhà xuất bản Artech House xuất bản năm 1991

b a

(Chú ý b là tổng độ rộng của đường tiếp điện và 2 khe cạnh bên)

Công thức tính toán như sau: