Thiết kế anten cho thiết bị di động dùng trong mạng 3g

Từ đó, thiết kế được một cấu trúc anten tiểu hình với kích thước 34 × 14 mm, cấu trúc anten này có kích thước tổng thể nhỏ hơn so với các cấu trúc anten trong, nhưng vẫn bảo đảm về dải t

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới TS Nguyễn Việt Hưng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo Bộ môn của Khoa Viễn Thông và Điện tử,… Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua

Hà Nội, 22 tháng 12 năm 2016

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Đồ án: “Thiết kế anten cho thiết bị di động dùng trong mạng 3G” tìm hiểu về lý thuyết chung trong việc thiết kế anten và ứng dụng thiết kế anten cho thiết bị di động dùng trong mạng 3G với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị di động ngày càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ, thẩm mỹ Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tiểu hình hóa các thành phần của thiết

bị di động Trong đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và đặt anten vào bên trong thiết bị Đồ án giúp sinh viên làm sâu thêm các kiến thức đã học đồng thời cung cấp các kiến thức chuyên sâu giúp ích cho công việc sau này Nhờ những lý do trên mà đồ án mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Về hình thức đồ án được trình bày rõ ràng, theo đúng qui định về đồ án tốt nghiệp của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Trong quá trình làm đồ án, sinh viên Nguyễn Đức Tiến đã thể hiện tinh thần nghiêm túc, khả năng tìm hiểu và tinh thần học hỏi Từ đó nắm vững các kiến thức cơ bản và cả các kiến thức mở rộng trong đồ án

Nhận xét chung, đồ án đã đáp ứng đầy đủ các nội dung theo đề cương và các yêu cầu của một đồ án tốt nghiệp Đề nghị cho phép sinh viên Nguyễn Đức Tiến được bảo vệ trước hội đồng tốt nghiệp

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… …….)

…………, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ 5

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Quy ước về các dải tần số:

Bảng 1.2 Dải tần số, thuật ngữ và sử dụng

Bảng 1.3 Giới hạn SAR chung theo quy định của nước khác nhau

Bảng 3.1 Kích thước của anten đề xuất.

Hình 1.1 Hệ thống thu và phát tín hiệu

Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc

Hình 1.3 Phân cực tuyến tính và phân cực tròn

Hình 1.4 Bức xạ ngắn trên mặt đất

Hình 1.5 Các đề xuất của một anten L ngược

Hình 1.6 Anten roi trên ô tô

Hình 1.7 Ở bên trái anten được gắn trên các mặt; bên phải mặt dưới điện thoại đã được

gỡ bỏ hoàn toàn dưới anten

Hình 2.1 Mối quan hệ điển hình giữa các băng thông ăng ten trở kháng của một 900 MHz PIFA anten gắn trên một đầu khung thiết bị di động và độ dài của khung

Hình 2.2 Vị trí anten điển hình trong một chiếc điện thoại gập Một vị trí khác để mặt dưới của chiếc điện thoại có chứa các anten để mở rộng vượt ra ngoài -khớp nối (phải).Hình 2.3 Vị trí ăng ten điển hình trên điện thoại nắp trượt

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa chiều dài và băng thông tại 1850 MHz Đối với các liên hệ băng tần thấp xem Hình 2.1

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa các băng thông và độ cao ăng ten ở 890 MHz

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa băng thông và độ cao ăng ten số 1850 MHz

Hình 2.7 Cấu trúc của anten thiết kế

Hình 3.2 Mặt trên của thiết bị di động có chứa anten

Hình 3.3 Mặt dưới của thiết bị di động

Hình 3.4 Ảnh hưởng của tham số N đến VSWR

Hình 3.5 Ảnh hưởng của tham số l 3 đến VSWR

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tham số l 2 đến VSWR

Hình 3.7 Ảnh hưởng của tham số l 6 đến VSWR

Hình 3.8Đồ thị hệ số phản xạ của anten

Hình 3.9 Đồ thị bức xạ của anten Hình 3.10 Đồ thị bức xạ của anten (3D)

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

TIS Total isotropic sensitivity Tổng nhạy đẳng hướngVSWR Voltage standing wave ratio Tỷ số sóng đứng điện áp

PIFA Planar inverted-F antenna phẳng ăng ten F - ngược

cancellation Hủy bỏ sự can nhiễu anten kép

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh truyền hình số

MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh chóng trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn hơn Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi mạch dải (microstrip antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối….; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu cần thiết ở trên Cũng bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng, hiệu suất cao đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về anten

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị di động ngày càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ, thẩm mỹ Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị di động Trong đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và đặt anten vào bên trong thiết bị

Gần đây, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho các thiết bị di động được công bố Kết quả đưa ra là các thiết kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần bao gồm cả băng tần công tác của thiết bị di động 3G, nhưng các anten có kích thước tương đối lớn Nurul H.M.R đề xuất cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30 × 23 mm), nhưng dải tần công tác cho thiết bị di động 3G hẹp (40 MHz, với VSWR ≤ 2) Bonefacic D đề xuất kết quả thiết kế anten loại mạch dải hoạt động tại tần số trung tâm 2,0 GHz, kích thước anten thu nhỏ nhưng băng thông rất hẹp (26 MHz) Karaboikis M đề xuất cấu trúc anten phẳng, dạng chữ F ngược cho các thiết bị đầu cuối Shakib M.N đề xuất cấu trúc anten phẳng, dạng chữ W có hệ số tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76 × 50 mm) Sarabandi K đề xuất phương pháp tiểu hình

hóa cấu trúc anten với kích thước cỡ 0,05 λ × 0,05 λ Tuy nhiên, kích thước của các

anten còn tương đối lớn và găp khó khăn trong ứng dụng cho hệ thống MIMO

Đề xuất phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G, dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử, thiết kế được một cấu trúc anten kiểu uốn chấn

tử dạng vòng Sử dụng phần mềm mô phỏng CST Studio Suite (mô phỏng anten) để tiến hành khảo sát anten phẳng, dạng vòng gắn trên một tấm mạch in 2 lớp kim loại đồng với lớp điện môi FR4 dày 1,6 mm, kích thước của tấm mạch in tương đương kích thước của thiết bị di động cầm tay Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,2 GHz, bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G Từ đó, thiết kế được một cấu trúc anten tiểu hình với kích thước 34 × 14 mm, cấu trúc anten này có kích thước tổng thể nhỏ hơn so với các cấu trúc anten trong, nhưng vẫn bảo đảm về dải thông và các tham số kỹ thuật khác của anten Cấu trúc anten này hoàn toàn có thể đặt gọn bên trong không gian của thiết bị di động và đạt được mục tiêu làm mỏng bề dày của thiết bị di

động Cũng bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten cho thiết bị di động đã thu hút rất nhiều

sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten cà em cũng quyết định lựa chọn đề tài làm đồ

án tốt nghiệp của mình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN

1.1KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN

1.1.1. Khái niệm anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài

Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển…cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu

Thiết bịđiều chếMáy phát

Hệ thống cung cấp tín hiệu

Hệ thốngbức xạAnten phátThiết bị xử lýMáy thu

hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu)

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu

1.1.2.Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy

ra trong những điều kiện nhất định

Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên nhưng điện từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo

ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá

xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

1.1.3.Hệ phương trình Maxwell.

Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học là các phương trình Maxwell

Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi

điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức

t i

eω

)cos(

)

(1.1b))

sin(

)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

e

i H

(1.3)(1.4)

(1.5)

H i E rot = − ωµ

ε

ρe E div =

0

=

H div

E

là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: (V/m)

H

là biên độ phức của vecto cường độ từ trường: (A/m)

Hệ số điện thẩm phức của môi trường được tính theo công thức:

ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường: (F/m)

μ hệ số từ thẩm của môi trường: (H/m)

σ điện dẫn xuất của môi trường: (Si/m)

số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm

vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.

Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như sau:

e

p E J i

H rot = ωε +

m J H i E rot = −ωµ −

ε

ρm E div =

µ

ρe H

div =−

(1.7)(1.8)

(1.9)

(1.10)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E và H Trong phương trình nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền

1.1.4.Các thông số cơ bản của anten

Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây :

- Dải tần của anten

a Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện

áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten:

A A A

A

I U

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten

và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten

Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten

PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:

Ae

A A I

P

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten

b Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan

trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten ηA

chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA:

A

bx A

P

P

=

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten Đối với

anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó ηA

< 1.Gọi công suất tổn hao là Pth

th bx

Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành:

th bx

bx

th bx

bx A

R R

R P

P

P

+

=+

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất ηA

= 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

Hệ số định hướng của anten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển

từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó:

)0(

),()

0(

),()

,

2 1 1 1

1

E

E P

), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 1 1

, ϕ

θ

) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô

hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E( 1 1

) , ( )

A

A

bx P G

d Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten

Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của anten Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten

Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương của điểm xem xét

Hình 1.: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc

Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ϕ) và mặt phẳng đứng (góc θ)

Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau Để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc bức xạ Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất

e Tính phân cực của anten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng

Hình 1.: Phân cực tuyến tính và phân cực tròn

Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng

f Dải tần của anten

Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số công tác

Thường dải tần được phân làm 4 nhóm

- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

%100

<

∆

f f

tức là

1.1min

max <

f f

- Anten dải tần tương đối rộng

%50

%10

tức là

5.11

.1

min max <

<

f f

- Anten dải tần rộng

45

.1

min max <

<

f f

- Anten dải tần rất rộng

4min

max >

f f

Trong đó: Δf = fmax – fmin

g. Các hệ thống anten

 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải trong các thiết

bị di động

 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa

 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)

 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học

Bảng 1.1 Quy ước về các dải tần số:

3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị

đạo hàng 300-3000 KHz Medium Freq (MF)

Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, tìm kiếm

Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không

30-300 MHz Very High Freq (VHF)

TV, phát thanh FM, điều khiển giao thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng

300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do

thám, radar

3-30 GHz Super High Freq (SHF)

Hàng không, vi ba, thông tin

di động, vệ tinh

30-300 GHz Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học

1.2 ANTEN CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG

1.2.1 Giới thiệu

Trải nghiệm của người sử dụng một hệ thống truyền thông di động hoàn toàn phụ thuộc vào việc thực hiện các kết nối vô tuyến hai chiều giữa các trạm cơ sở và di động Mỗi nhà mạng di động tạo ra hệ thống các trạm cơ sở liên kết để cung cấp vùng phủ sóng càng rộng càng tốt, cung cấp vùng phủ sóng rộng sao cho phù hợp yêu cầu lưu lượng

dữ liệu mong muốn Trong khi trạm gốc thường được trang bị một anten có độ lợi cao

và một máy phát có khả năng cung cấp tần số vô tuyến (RF) hàng chục watt, anten có

kích thước bị phụ thuộc vào kích thước thiết bị di động mà vẫn phải hoạt động trong công suất bức xạ khoảng 1 watt Trong khi các trạm cơ sở anten thường được đặt ở một

vị trí cố định 10 m trở lên trên mặt đất, các thiết bị di động trong tay của người dùng thường bị áp vào sát đầu cao khoảng 1,5 m trên mặt đất

Thiết kế anten đặt ra nhiều thách thức bởi vì anten thiết bị di động đang trở nên quan trọng khi các nhà mạng phát triển các dịch vụ để cung cấp nhiều dịch vụ hơn Bây giờ chúng ta mong đợi một thiết bị đầu cuối di động bỏ túi để có thể cung cấp thoại (có khả năng thoại video), các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, vị trí và chuyển hướng dịch vụ, giải trí

và nhiều hơn nữa trong tương lai Không chỉ thực hiện một số mà các dịch vụ mới đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao hơn, nhưng số lượng ngày càng tăng của các phần tử khác nhau trong các thiết bị di động sẽ gây khó khăn rất lớn về không gian cho các anten Các nhà thiết kế thiết bị di động hi vọng rằng nhiều anten có thể làm việc hiệu quả khi ở gần các

bộ phận như camera, đèn flash, loa, pin và các phần cứng khác cần thiết để hỗ trợ khả năng ngày càng tăng của các thiết bị di động

Tóm tắt mô tả vắn tắt các mẫu thiết kế anten khác nhau của thiết bị di động Vấn đề chính là về hoạt động của anten trong các thiết bị di động và ảnh hưởng của thiết kế thiết bị di động với khả năng hiệu suất RF có thể đạt được Phần lớn các cuộc thảo luận rất quan trọng đối với các nhà thiết kế công nghiệp và các kỹ sư đưa ra những linh kiện điện tử của thiết bị di động, cũng như các kỹ sư anten

Trình tự xử lý các đề xuất theo quá trình thứ tự chung mà nhà thiết kế anten sẽ đánh giá các phần thiết kế - xem xét các đặc điểm mục tiêu kỹ thuật, kích thước và cấu hình của thiết bị di động và môi trường làm việc của các anten so với các phần tử khác Các kỹ sư anten khả năng sẽ chọn thiết kế cho các anten điện tử sau khi xem xét các yếu tố này

Bảng 1.2 Dải tần số, thuật ngữ và sử dụng.

Băng tần Tên ngắn gọn Dịch vụ

550–1600 kHz MF radio Radio broadcas2–30 MHz HF radio Radio broadcast88–108 MHz Band II Radio broadcast174–240 MHz Band III T-DMB TV

1.2.2 Các yêu cầu thực hiện

Trước khi thiết kế anten chúng ta cần xác định các thông số hiệu suất của thiết bị di động và kiểm tra cách thức tương tác với hoạt động của mạng Các thông số này thường được quy định trong đường truyền cùng với thiết kế thiết bị di động

-Hệ số tăng ích: là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển

từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ trường

tại điểm thu theo hướng đã xác định Việc sử dụng tăng ích cho một anten thiết bị di động

là không khả quan và thông thường người ta xem xét hiệu năng thông qua hiệu suất

-Hiệu suất: Hiệu suất của một anten thiết bị di động là tỷ lệ tổng công suất cung cấp

cho anten với công suất phát ra của thiết bị di động Hiệu suất có thể được đo với anten điều khiển từ một nguồn tín hiệu bên ngoài (hiệu suất thụ động) hoặc với các anten điều khiển bởi đầu ra RF của điện thoại (hiệu suất chủ động) Trong phép đo chủ động rất khó để xác định năng lượng phát về phía trước, do đó, các thông số hoạt động tốt là một thước đo tổng công suất bức xạ (TRP) - đó là điều quan trọng trong hoạt động mạng

-Băng thông Băng thông của một anten là dải tần số mà quy định thiết lập các tham số

được dùng Mục đích của thiết kế anten thiết bị di động là băng thông đủ để chứa các băng tần _ mà thiết bị di động hoạt động được ở dải tần số đó

-Giản đồ bức xạ Đây là tham số phổ biến trong đặc điểm kỹ thuật của anten, và nó có

thể đo được khi thiết kế anten Tuy nhiên đối với anten cho di dộng, chúng bị gặp phải hạn chế do tiếp xúc với bàn tay (và đôi khi là đầu) của người sử dụng, vì vậy kết quả đo

được của các mẫu bị hạn chế Giản đồ bức xạ thường được đo trong ba mặt phẳng chính của thiết bị di động

-Sự phân cực Các bức xạ từ một thiết bị di động được coi là có tính ngẫu nhiên theo

định hướng phân cực elip Các phép đo công suất bức xạ thường được làm cách riêng biệt cho tuyến tính trực giao phân cực thành phần tín hiệu Điều này có nghĩa rằng các đặc tính bức xạ 3D đầy đủ của thiết bị di động này được đặc trưng bởi sáu mẫu riêng biệt (ba mặt cắt và hai thành phần phân cực) Đối với hầu hết các mục đích năng lượng

có trong hướng phân cực tuyến tính trực giao được bổ sung thêm vectơ - như, ví dụ, hiệu suất hoặc các phép đo TRP

tại điểm trên (thường là hình cầu) bề mặt xung quanh thiết bị di động Nếu anten không

bị giảm chất lượng, nghĩa là trung bình sẽ là 0 dBi, vì vậy MEG có kết quả là :

10log10η khi η là hiệu suất

đo được tổng công suất, thiết bị di động này được điều khiển bởi một mô hình mô phỏng trạm cơ sở và công suất phát ra (tóm gọn trong phân cực trực giao) lấy mẫu tại các điểm xung quanh thiết bị trên một mặt kín

-Tổng nhạy đẳng hướng (TIS) Độ nhạy được định nghĩa là công suất tín hiệu đầu vào

sinh ra tỷ lệ lỗi khung hoặc tỷ lệ lỗi bit dư Độ nhạy được lấy mẫu trong phân cực trực giao tại các điểm trải rộng xung quanh thiết bị di động trên một bề mặt kín TIS và TRP cùng xác định hiệu suất thiết bị di động như của thiết bị vô tuyến điện, đặc biệt là phạm

vi tối đa mà thiết bị di động có thể hoạt động từ một trạm gốc với một mức công suất

cho đường lên-xuống (đến và đi từ các trạm cơ sở) được dựa trên giả định về hiệu suất thiết bị di động, giả định hiệu suất được duy trì trên toàn bộ cả đường truyền và tại các dải tần số

Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR) Thuật toán đầu vào có thể được mô tả như sau:

• VSWR = (1 + ρυ)/(1 + ρυ) , khi ρυ là các mô đun của hệ số phản xạ điện áp - tỉ số của sóng phản xạ của sóng chuyển tiếp trong volt

trong các cụm như " mất trở lớn hơn -8dB '.)

Trong chương này không đề cập cụ thể về thuật toán / thuật toán có thể được sử dụng một trong hai trường hợp:

Các hệ số phản xạ điện = ρυ nên công suất tải là (1- ρυ ) và không phản xạ

= 10log10(1- ρυ2)

Thuật toán đầu vào của một anten thiết bị di động là một trong những thông số quan trọng nhất Như chúng ta sẽ thấy, kích thước nhỏ của thiết bị di động và anten làm cho VSWR đầu vào thấp hơn các băng tần yêu cầu Tác dụng chính của VSWR cao là làm cho đầu vào bị phản xạ làm giảm hiệu suất của thiết bị Nói chung, mục tiêu hiệu quả sử dụng được ưu tiên hơn VSWR mà không được xem như các tham số chính Đó là mối quan tâm cần thiết để thiết kế anten

Kiểm thử thụ động Trong một kiểm thử thụ động dây cáp hoặc microstrip đồng trục nhỏ được kết nối giữa các anten và một kết nối đầu vào, cho phép các nhà thiết kế đo VSWR, mô hình bức xạ và hiệu suất của các anten gắn ở vị trí đầu thiết bị di động (hoặc

có thể để đánh giá ban đầu về một mô phỏng đại diện cho thiết bị di động) Thử nghiệm thụ động được sử dụng trong thiết kế ban đầu khi các cấu hình anten được tối ưu hóa và phù hợp với mạch đầu vào được đề xuất

Kiểm thử chủ động Trong một kiểm thử chủ động không có kết nối bên ngoài được thực hiện đối với thiết bị di động Một mô phỏng trạm gốc được sử dụng để thiết lập một cuộc gọi đến thiết bị di động trong một căn phòng không thể phản xạ và các phép

đo được thực hiện để thiết lập các TRP và TIS Những thông số xác định hiệu suất sẽ được kiểm nghiệm bởi một người dùng dịch vụ mạng Nếu người dùng kiểm nghiệm chất lượng cuộc gọi kém họ thường sẽ khiếu nại về vùng phủ sóng kém; để tránh điều này, nhiều nhà khai thác mạng thiết lập các tiêu chuẩn của TRP / TIS hiệu suất phải được đáp ứng bởi thiết bị di động trước khi họ được phép sử dụng trên mạng của họ Đôi khi thiết bị di động được đề xuất thực hiện tốt trong các kiểm thử thụ động có thể không đạt tiêu chuẩn trong các kiểm thử chủ động Có một số yếu tố góp phần vào sự khác biệt giữa các phép đo chủ động động và bị động:

-Trong một phép đo TRP đầu ra của bộ khuếch đại công suất (PA) được cấp qua đường truyền kết nối nội bộ và chuyển đổi một hoặc diplexer

-Trong một phép đo bị động các anten được cung cấp một nguồn 50-ohm kết hợp Trong một phép đo TRP chủ động công suất cung cấp bởi các PA sẽ phụ thuộc vào trở kháng phức hợp chỉ định bằng các đường truyền kết nối nó vào chuyển mạch / diplexer và anten Các đường đặc tính của PA sẽ xác định bao nhiêu năng lượng sẽ cung cấp vào trở kháng này, đó là khả năng thay đổi đáng kể trong mỗi băng tần hoạt động

-Trong một phép đo TIS độ nhạy của máy thu bị giảm bởi bất kỳ nhiễu trong thiết bị di động vì nhiễu có thể làm mất tín hiệu khi tín hiệu yếu Các màn hình,máy ảnhvà mạch

nguồn cấp dữ liệu có liên quan tới chúng, thường tạo ra nhiễu, đặc biệt là trong các băng thấp.

Các phép đo chủ động rất quan trọng vì chúng thể hiện các hoạt động của các thiết bị di động được sử dụng; các phép đo thụ động đơn giản đễ hiểu Sự khác biệt giữa chúng là biện pháp chẩn đoán rất quan trọng để điều chỉnh với các sự cố đột xuất

Trong quá trình phát triển anten các phép đo được mô tả ở trên thường được thực hiện với thiết bị di động trong thử nghiệm đặc biệt được làm bằng polystyrene bọt xốp mật

độ thấp Trong hoạt động thiết bị di động có thể được điều khiển ở xa đầu người dùng(ví

dụ, khi nhắn tin hoặc truy cập vào các dịch vụ Web-based) hoặc áp sát đầu như hoạt động thoại bình thường Để mô phỏng các tình huống thiết bị di động được thử nghiệm kết hợp với mô hình vật lý với suy hao bàn tay và đầu

Những tác động của đầu và tay đôi khi được gọi là detuning, nhưng thuật ngữ này chưa thực sự có ích để tìm ra tần số cộng hưởng của anten hay không Các thuật toán đầu vào thực tế có thể cải thiện khi được đưa vào thiết bị di động, nhưng điều này chỉ là xác nhận rằng có một phần năng lượng được phản xạ từ anten Xác định detuning bằng cách khảo sát sự thay đổi của tần số trong thuật toán anten tối ưu là không khả thi; chúng không chỉ ra sự giảm hiệu suất trong các mô hình, cũng không phải là tần số của hiệu suất tối ưu

Tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR) Một thiết bị di động đặt cạnh cơ thể người dùng sẽ đưa năng lượng vào các mô bởi điện từ trường Nghiên cứu cho thấy có thể ảnh hưởng đến các

mô cơ thể, do đó chúng ta phải kiểm tra tỷ lệ mà năng lượng được đưa vào trong một thể tích mô Đây là tỷ lệ hấp thụ đặc biệt, có đơn vị là watt cho mỗi kilogram mô Để kiểm soát khả năng của cao nhất tại điểm nào đó, cho phép SAR tối đa được quy định khi áp dụng cho bất kỳ 1 g hoặc 10 g mô

Điều quan trọng là phải phân biệt giữa các giới hạn tiếp xúc với trường điện từ và mức SAR tối đa cho phép Giới hạn SAR sẽ phức tạp hơn và liên quan đến sự hấp thụ bởi cơ thể của người sử dụng

Không có giới hạn tiêu chuẩn trên toàn thế giới duy nhất cho SAR, và một số tiêu chuẩn hiện tại được thể hiện trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Giới hạn SAR chung theo quy định của các nước khác nhau

Phương

Khi sử dụng, thiết bị di động sẽ ở vị trí bởi vậy cá trường điện từ xuyên qua cơ thể của người sử dụng Cơ thể không đồng nhất điện - xương, não, da và các mô khác có mật độ khác nhau, các hằng số điện môi, các yếu tố mất điện môi và hình dạng phức tạp Đây là một thách thức phải được đơn giản để cung cấp cho các nhà thiết kế thiết bị di động các hướng dẫn kỹ thuật mà họ có thể làm việc Với một thiết bị di động đặt bên cạnh mô hình và với bộ phát đang hoạt động Chúng được chuyển thành các giá trị SAR và các mẫu tích tụ năng lượng được ánh xạ để xác định các khu vực có mức cao nhất SAR trung bình trên 1 g và 10 g mẫu Mô phỏng thường được thực hiện bằng cách sử dụng 'đầu chuẩn', nhưng những thông tin thực tế thu được bằng cách sử dụng mô hình máy tính có độ phân giải cao dựa trên số liệu khảo sát.

Nghiên cứu mở rộng các ảnh hưởng tới sức khỏe của năng lượng RF được hấp thu từ thiết bị di động đã được thực hiện ở nhiều nước Kết quả hiện tại cho thấy rằng bất kỳ tác dụng rất nhỏ, ít nhất là trong khoảng thời gian mà điện thoại di động đã được sử dụng thông dụng Những người quan tâm nên tham khảo các trang web ở chính quyền y

tế lao động lớn của quốc gia và tạp chí y khoa Nhiệm vụ của nhà thiết kế anten là đảm bảo người dùng sẽ chỉ bị ảnh hưởng giá trị thấp nhất của SAR phù hợp với việc truyền tín hiệu radio với công suất yêu cầu của mạng

-Thiết bị trợ thính: Thiết bị di động hoạt động với giao thức phân chia thời gian multiplex như GSM phát ra các xung ngắn của năng lượng vô tuyến Một máy trợ thính

có chứa một bộ khuếch đại âm thanh tín hiệu nhỏ và nếu thiết bị này phát thanh xung mức tín hiệu cao kết quả thu được tính phi tuyến trong bộ khuếch đại sẽ sinh ra một âm thanh khó chịu

1.2.3 Anten chiều dài điện nhỏ

Các kích thước của anten điện thoại di động là rất nhỏ so với bước sóng hoạt động, đặc biệt là trong các băng thấp Không chỉ anten nhỏ mà độ dài của thiết bị di động mà chúng được gắn liền - thường từ 80 đến 100 mm - cũng chỉ là một phần nhỏ của một

bước sóng dài Một anten thiết bị di động thông thường nhỏ hơn 0,004 dm3về thể tích (khoảng một phần nghìn của một bước sóng) và một khung 90 mm chỉ dài 0,27 λ ở 915 MHz Các hoạt động của anten chiều dài điện nhỏ được quyết định bởi mối quan hệ cơ bản giữa hệ số phẩm chất Q nhỏ nhất của chúng với thể tích của hình cầu nhỏ nhất mà chúng được bao xung quanh, thường được gọi là giới hạn Chu-Harrington.

Chúng ta có thể bù cho trở kháng đầu vào bằng cách thêm một điện kháng đối diện, nhưng sự kết hợp sẽ có một Q cao hơn và băng thông hẹp hơn Chúng ta có thể chuyển đổi hiệu suất sử dụng cho băng thông, nhưng chúng ta muốn đạt được hiệu suất cao nhất

có thể tại cùng một thời gian khi băng thông đủ để trải rộng các băng tần di động - có thể nhiều băng tần Dù chúng ta áp dụng cẩn thận, chúng vẫn không thể có hết các thuộc tính mà chúng ta cần từ một thiết bị nhỏ như vậy

Một anten nhỏ đơn giản được thể hiện trong hình 1.4, trong đó một đơn cực ngắn được cấp đối với một mặt phẳng đất Anten này gồm tất cả điện dung từ tất cả các đường từ

DC đến tần số một khoảng là λ/ 4 Trở kháng đầu vào có dạng Zin = R + JX, trong đó R

có giá trị nhỏ và X có giá trị rất lớn Băng thông sẽ bị giới hạn bởi các Q của thiết bị, trong đó Q = X / R Nếu anten là một phần rất nhỏ của chiều dài bước sóng, chúng cần thiết để kích thích một dòng rất lớn ở trong làm cho chúng bức xạ công suất lớn; nói một cách khác, khả năng chống bức xạ của chúng rất nhỏ vì vậy chúng phải mang theo một dòng lớn để phát công suất yêu cầu

Hình 1.4 (a) cho thấy bộ phát xạ thẳng đứng ngắn trên mặt đất –chúng ta có thể coi như hoàn hảo Các dòng ở phía trên đầu của bộ tản nhiệt bằng không và đạt giá trị tối đa ở gần cuối (gần tuyến tính bởi vì mặc dù sự phân bố gần giống hình sin, sin θ ≈ θ khi θ là nhỏ) Chúng ta có thể cải thiện các vấn đề bằng cách kéo dài một dây dẫn nằm ngang ở phía đỉnh của anten (Hình 1.4 (b)) Chúng đã tăng kháng bức xạ (RR) và đồng thời làm giảm điện kháng điện dung Xc tại điểm cấp nguồn, vì vậy Q của anten đã giảm Hình 1.4 (c) cho thấy một cấu hình khác với các đặc tính tương tự, được biết như một anten ngược-L

(a) Bức xạ đơn thẳng đứng

Để tăng thêm giá trị của Rr chúng ta có thể xếp gọn anten như trong hình 1.5 (a), hoặc kiểu khác như trong hình 1.5 (b) - một anten F ngược Đây là một cách cộng hưởng tự nhiên khi tổng chiều dài của phần trên là khoảng λ/ 4, và bằng cách chọn vị trí của điểm cấp điện, trở kháng đầu vào có thể được chọn gần 50 Ω.

Chúng ta có thể thay thế các dây dẫn của anten L ngược bằng một tấm trong (hình 1.5 (c)) và khe tấm để làm cho việc truyền tải dễ hơn (Hình 1.5(d)) Tuy nhiên chúng ta vẫn chưa khắc phục được các hạn chế phát sinh bởi thể tích nhỏ của anten và chúng ta cần một biện pháp để giải quyết vấn đề này Một tính năng quan trọng của tất cả các cấu hình này là không cân bằng Nếu ta quan niệm mặt đất như một dây dẫn hoàn hảo vô hạn chúng ta có thể hình dung một hình ảnh của các anten ở mặt phẳng đất và tính toán

mô hình bức xạ bằng cách tổng hợp các bức xạ của các anten và chính bản thân chúng