Thiết kế, mô phỏng và chế tạo ăng-ten đa băng sử dụng công nghệ mạch dải dành cho điện thoại di động thế hệ mới

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CHU MINH THẮNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠOANTEN ĐA BĂNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH DẢI DÀNH CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI NGÀNH: CÔNG NGHỆĐIỆN TỬ – VIỄN THÔN

CHU MINH THẮNG

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ANTEN ĐA BĂNG

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH DẢI DÀNH CHO

ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CHU MINH THẮNG

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠOANTEN ĐA BĂNG

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH DẢI DÀNH CHO

ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

NGÀNH: CÔNG NGHỆĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS TRƯƠNG VŨ BẰNG GIANG

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten đa băng sử dụng công nghệ mạch dải dành cho điện thoại di động thế hệ mới”là công

trình nghiên cứu của bản thân Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra

Tác giả luận văn

Chu Minh Thắng

Cuối cùng, tôixin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của em, những người đã luôn bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ em trong thời gian qua

Luận văn này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài Khoa học Công nghệ cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số QGTĐ.13.05

Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện luận văn có hạn, nên luận văn còn nhiều hạn chế Tôi rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 11 năm 2014

Học viên

Chu Minh Thắng

TÓM TẮT

Ngày nay điện thoại di động sử dụng công nghệ 4G/LTE đang dần trở nên phổ biến trên thế giới do tính năng vượt trội của nó về tốc độ truyền và nhận dữ liệu Cùng với sự phát triển của thiết bị di động có hỗ trợ công nghệ 4G/LTE, anten dành cho các thiết bị này cũng đang được phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu

Anten vi dải (micrstrip antenna) đã đang được sử dụng rộng rãi vì những ưu điểm của nó như: kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ dàng thiết kế và chế tạo, chi phí giá thành sản xuất thấp… Tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm của nó như băng thông hẹp, hiệu suất bức xạ kém hơn so với các loại anten khác nhưng do khả năng tích hợp với các thiết bị rất tốt nên anten vi dải vẫn luôn là sự lựa chọn hàng đầu để thiết kế anten cho thiết

bị di động thế hệ mới

Trong luận văn này, một anten vi dải đa băng cho điện thoại di động nói chung, anten cho thiết bị di động 4G/LTE nói riêng hoạt động ở các băng tần (1800MHz và 2600 MHz) đã được thiết kế, mô phỏng và chế tạo Các phép đo thực tế đã được thực hiện để so sánh với kết quả mô phỏng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT III MỤC LỤC IV DANH MỤC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC BẢNG X

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3

1.1 Các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G 3

1.2 Hệ thống thông tin di động 4G/LTE (Long Term Evolution) 3

1.2.1 Công nghệ 4G/ LTE 3

1.2.2 Các thông số kỹ thuật 4

1.2.3 Băng tần triển khai LTE 5

1.2.4 Tổng quan về Anten 4G/LTE 7

1.3 Kết luận 8

CHƯƠNG 2:ANTEN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG 10

2.1 Anten trong hệ thống thông tin di động 10

2.2 Anten cho điện thoại di động cầm tay 13

2.3 Các thông số cơ bản của anten 15

2.3.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 16

2.3.2 Giản đồ bức xạ của Anten 17

2.3.2.1 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính 18

2.3.2.2 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính 19

2.3.3 Mật độ công suất bức xạ 22

2.3.4 Cường độ bức xạ 23

2.3.5 Hệ số định hướng 24

2.3.6 Hệ số tăng ích của anten 25

2.3.7 Băng thông của Anten 27

2.3.8 Anten phân cực 27

2.3.9 Trở kháng vào của Anten 28

2.3.10 Hệ số phản xạ, Suy hao phản hồi và Hệ số điện áp sóng đứng 29

2.4 Đường truyền vi dải và anten vi dải 30

2.4.1 Cấu trúc của Anten vi dải 30

2.4.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 30

2.4.1.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải 30

2.4.2 Anten vi dải 31

2.4.2.1 Giới thiệu chung 31

2.4.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản 32

2.4.2.3 Anten mặt bức xạ hình chữ nhật 35

2.5 Kết luận 36

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO CÁC THAM SỐ CỦA ANTEN 37

3.1 Yêu cầu thiết kế anten 37

3.2 Phần mềm mô phỏng 38

3.3 Thiết kế và mô phỏng 38

3.3.1 Qui trình thiết kế anten 38

3.3.2 Kết quả mô phỏng 41

3.4 Chế tạo và đo đạc mẫu anten 43

3.4.1 Chế tạo 43

3.4.2 Kết quả đo đạc thực tế 43

3.4.3 Đo giản đồ bức xạ của anten thực nghiệm 44

3.4.3.1 Qui trình đo 44

3.4.3.2 Kết quả đo anten thực tế 47

3.4.4 So sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng 50

KẾT LUẬN 53

PHỤ LỤC 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Personal Communications Service

Hệ thống thông tin di động phổ biến

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 - Logo LTE 3

Hình 1 2 - Các tùy chọn nâng cấp lên LTE 4

Hình 1 3 - Một số mẫu anten 4G/LTE đã được công bố 8

Hình 2 1 - Một hệ thống truyền phát vô tuyến điển hình 10

Hình 2 2 - Anten dây dẫn 12

Hình 2 3 - Anten vi dải 12

Hình 2 4 - Các loại anten mảng 13

Hình 2 5 - Anten mạch in đa băng 14

Hình 2 6 - Các loại điện thoại thông thường 15

Hình 2 7 - Nguyên lý hoạt động cơ bản của một anten phát 16

Hình 2 8 - Các trường bức xạ tại khu xa 16

Hình 2 9 - Hệ thống tọa đổ để phân tích anten 17

Hình 2 10 - Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten 18

Hình 2 11 - Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa 19

Hình 2 12 - Một mô hình bức xạ hướng tính trong mặt phẳng 19

Hình 2 13 - Mô hình bức xạ đẳng hướng - Omni 20

Hình 2 14 - Các vùng trường của một anten 21

Hình 2 15 - Giản đồ bức xạ trường xa của anten parabol tại các khoảng cách R khác nhau 22

Hình 2 16 - Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian 28

Hình 2 17 - Cấu trúc của đường truyền vi dải 30

Hình 2 18 - Giản đồ trường của một đường vi dải 31

Hình 2 19 - Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất 32

Hình 2 20 - Các hình dạng phần tử anten vi dải cơ bản thường được dùng trong thực tế 33

Hình 2 21 - Các hình dạng kiểu khác cho các phần tử anten vi dải 33

Hình 2 22 - Một vài dipole mạch in và vi dải 33

Hình 2 23 - Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện 34

Hình 2 24 - Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in 34

Hình 2 25 – Phần tử anten vi dải hình chữ nhật 36

Hình 3 1 - Sơ đồ khối thể hiện quá trình thiết kế và mô phỏng anten 39

Hình 3 2 - Mặt bức xạ và mặt phẳng đất của anten 40

Hình 3 3 - Mô hình anten trong không gian hai chiều và ba chiều 40

Hình 3 4 - Đồ thị hệ số suy hao S 11 41

Hình 3 5 - Đồ thị bức xạ trong không gian 2 chiều và 3 chiều tại tần số 1800MHz 42

Hình 3 6 - Đồ thị bức xạ trong không gian 2 chiều và 3 chiều tại tần số 2600MHz 42

Hình 3 7 - Mẫu anten chế tạo thực tế 43

Hình 3 8 – Mô hình thiết lập hệ đo anten tại Khoa ĐTVT của trường ĐH Công Nghệ 43

Hình 3 9 - Hệ số suy hao do phản xạ của anten thiết kế được xuất ra từ máy đo 44

Hình 3 10 – Một số hình ảnh thiết lập phòng đo tại Cục tần số 49 Hình 3 11 – Kết quả đo giản đồ bức xạ của anten thực tế 50 Hình 3 12 – Kết quả so sánh hệ số suy hao do phản xạ (S 11 ) giữa thực tế và mô phỏng 50 Hình 3 13 – Kết quả so sánh giản đồ bức xạ giữa thực tế và mô phỏng tại tần số 1800 MHz 52 Hình 3 14 - Kết quả so sánh giản đồ bức xạ giữa thực tế và mô phỏng tại tần số 2600 MHz 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 - Các thông số kỹ thuật của LTE 4

Bảng 1 2- Băng tần hoạt động của LTE 5

Bảng 2 1- Các yếu tố ảnh hưởng tới Công nghệ và Thiết kế anten thời gian gần đây 10

Bảng 3 1 - Kết quả của đồ thị hệ số suy hao do phản xạ 41

Bảng 3 2 - So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế băng thông và hệ số suy hao do phản xạ S11 của mẫu anten thiết kế 51

MỞ ĐẦU

ần đây, đặc biệt là sau năm 2000, anten vi dải được sử dụng rất nhiều trong các thiết kế anten dành cho điện thoại di động thế hệ mới nhằm thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890-960 MHz), DCS (Digital

Telecommunication System, 1920-2170 MHz) Và mới đây nhất là anten dành cho điện thoại di động thế hệ mới sử dụng công nghệ 4G/LTE hoạt động ở hai dải tần (1800 MHz

và 2600 MHz) Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dung trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400-2484 MHz) và 5.2 GHz (5150-5350 MHz)

Anten vi dải thường có băng thông hẹp, và việc mở rộng băng thông cũng là nhu cầu rất cần thiết đối với nhiều ứng dụng thực tế hiện nay Ngoài ra, việc thiết kế anten cho các loại thiết bị di động cầm tay có kích thước càng ngày càng thu nhỏ như hiện nay cũng gặp rất nhiều khó khăn Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải Nhiều sự cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, và tăng ích cao đã được báo cáo trong một vài năm gần đây

Luận văn tập trung thiết kế một anten vi dải băng rộng và đa dải tần cho thiết bị di động sử dụng công nghệ 4G/TE ở hai băng tần 1800MHz và 2600 MHz Luận văn sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng Mạch chế tạo thực tế được làm trên vật liệu FR4

Luận văn được trình bày trong ba chương như sau:

Chương 1: Tìm hiểu về công nghệ 4G/LTE trên thiết bị di động thế hệ mới

Chương 2: Lý thuyết anten cho hệ thống thông tin di động, lý thuyết về anten vi dải, một

số thông số cơ bản của anten như hệ số tăng ích, độ định hướng, băng thông, mô hình bức xạ, sự phân cực

G

Chương 3: Quá trình thiết kế, chế tạo và đoanten cho thiết bị di động 4G/LTE hoạt động

ở hai dải tần 1800 MHz và 2600 MHz dùng công nghệ mạch dải

Bằng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, kết hợp với mô phỏng luận văn đã thực hiện được những nội dung chính sau đây:

Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten vi dải

Nêu ra nguyên lý và các phương pháp để xây dựng anten vi dải băng rộng và anten

có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần

Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải dẹt có cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền mạch dải

Đo đạc và đánh giá các đặc tính của anten được thiết kế như: tần số cộng hưởng, băng thông, trở kháng vào, giản đồ bức xạ thực tế, hệ số tăng ích

Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn thông tin vô tuyến, khoa Điện tử Viễn thông theo hướng dẫn của PGS TS Trương Vũ Bằng Giang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G

1G là chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (1st Generation) Các điện thoại chuẩn analog, sử dụng công nghệ 1G với tín hiệu tương tự (analog), được giới thiệu trên thị trường vào những năm 1980.Sau đó, xuất hiện các điện thoại kỹ thuật số, dùng công nghệ 2G, với sóng số (digital) Thế hệ thứ hai 2G của mạng

di động chính thức ra mắt trên chuẩn GSM của Phần Lan, với ba lợi ích hơn hẳn so với thế hệ 1G là cuộc gọi được mã hóa kỹ thuật số bảo mật tốt hơn, tăng hiệu quả kết nối các thiết bị, và bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động – khởi đầu là tin nhắn SMS.Hiện nay, điện thoại di động 3G là công nghệ truyền thông thế

hệ thứ 3, không chỉ cung cấp dịch vụ thoại kỹ thuật số, nó còn cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh SMS, hình ảnh, video )[2]

1.2 Hệ thống thông tin di động 4G/LTE (Long Term Evolution)

1.2.1 Công nghệ 4G/ LTE

LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution) còn được gọi là E-UTRA (viết tắt của cụm từ Evolved Universal Terrestrial Radio Access), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như 3,9 G [3]) 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

Công nghệ LTE 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 [10](Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9

Hình 1 2- Các tùy chọn nâng cấp lên LTE

1.2.2 Các thông số kỹ thuật

Bảng 1 1 - Các thông số kỹ thuật của LTE

Dải tần số Các băng FDD UMTS và TDD UMTS

Băng thông kênh, 1 khối

UL: Đa người dùng kết hợp MIMO

Tốc độ dữ liệu lớn nhất

DL: 150 Mb/s (UE nhóm 4, 2x2 MIMO, 20 MHz), 300 Mb/s (UE nhóm 5, 4x4 MIMO, 20 MHz)

UL: 75 Mb/s (20 MHz)

1.2.3 Băng tần triển khai LTE

Công nghệ LTE phù hợp triển khai trên độ rộng băng tần trong phạm vi từ 1,25 MHz đến 20 MHz, hơn thế nữa, nó có thể hoạt động trong tất cả các băng tần 3GPP theo cặp phổ tần hoặc không theo cặp phổ tần Như vậy, mạng LTE có thể triển khai trên bất

cứ băng tần nào được sử dụng bởi các hệ thống 3GPP

Băng tần hoạt động dành cho công nghệ LTE được khuyến nghị trong 3GPP TS 36.101 version 10.3.0 Release 10 được chỉ ra như trong bảng dưới đây

Bảng 1 2- Băng tần hoạt động của LTE

1.2.4 Tổng quan vềAnten 4G/LTE

Mục tiêu của LTE (Long Term Evolution) là tăng dung lượng và tốc độ truyền dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và xử lý tín hiệu số (DSP) Công nghệ LTE có thể tăng tốc độ lên gấp 10 lần so với tốc độ của mạng 3G cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay,… Tiêu chuẩn LTE có thể hoạt động ở nhiều băng tần khác nhau từ 400MHz đến 4GHz [4]

Trong thực tế, Anten 4G/LTE cho điện thoại di động đã được thiết kế với rất nhiều hình dạng, kích cỡ và mục đích khác nhau Trong tài liệu tham khảo [5] là thiết kế của một anten đa băng cho điện thoại di động 4G/LTE (700MHz/2,5-2,7GHz) với tổng diện tích: 38mmx50mm (đối với phần anten) và 82mmx50mm (đối với phần đất) Anten đã được thiết kế trên tấm vật liệu FR4 có (εr=4,4) với kích thước 120mmx50mm, độ dày h=0.762 Trong tài liệu [6], một anten được thiết kế cho LTE 700, GSM 850, 900, DCS

1800, PCS1900, và LTE 2300, 2500 UMTS trên tấm vật liệu FR4 có (εr=4,4) với kích thước 120mmx60mmx0,8mm và 34mmx12mmx6,5mmm (đối với phần anten được thiết kế) Tài liệu tham khảo [7] cũng là một thiết kế anten đa băng cho các ứng dụng

(LTE700/ WCDMA/ UMTS/ WIMAX/ WLAN) và cũng đã được thiết kế trên vật liệu FR4 nhưng với (εr=4,5) với kích thước của s1 = 112mm x 50mm, độ dày h1=1mm

Hình 1 3- Một số mẫu anten 4G/LTE đã được công bố

Ngày nay, anten vi dải đã trở nên phổ biến, chúng xuất hiện ở hầu hết các ứng dụng truyền thông không dây Anten vi dải có khả năng làm việc trong một dải tần số rất lớn, từ 100MHz – 100GHz Bên cạnh đó, loại anten này mang lại nhiều lợi ích trong việc cải tiến các dịch vụ truyền thông không dây, chẳng hạn như: kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ dàng để thiết kế và chế tạo với chi phí giá thành sản xuất thấp

1.3 Kết luận

Qua những phân tích về tiến trình phát triển của các hệ thống thông tin di động nêu trên, chúng ta có thể thấy rằng: kỹ thuật anten đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và vẫn đang không ngừng phát triển Cùng với đó là sự phát triển của anten

vi dải, chúng đã dần trở nên phổ biến trong việc thiết kế anten có kích thước nhỏ nhằm tích hợp trên các thiết bị di động cầm tay cũng như các thiết bị đầu cuối trong hệ thống

thông tin vô tuyến Ngoài kích thước nhỏ, một số ưu điểm khác của anten vi dải như khối lượng nhẹ, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, chế tạo cùng với khả năng tích hợp bề mặt tốt Trong luận văn này, tôi đã thiết kế và chế tạo một mẫu anten sử dụng công nghệ mạch dải dùng cho điện thoại di động thế hệ mới 4G/ LTE ở hai băng tần 1800MHz và 2600MHz Thiết kế được mô phỏng và chế tạo trên tấm vật liệu FR4 có hằng số điện môi (εr=4.4), độ dày tấm vật liệu h=1.2mm và kích thước 3D là 20mm x 50mm x 1.2mm

CHƯƠNG 2 ANTEN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG

2.1 Anten trong hệ thống thông tin di động

Anten được phân loại là "một thiết bị kim loại thường (dạng thanh hay dạng dây kim loại) cho phép bức xạ và thu nhận sóng vô tuyến" Bên cạnh đó, anten cũng được xác định

là "một phương tiện để phát sóng hoặc nhận sóng radio" Vì vậy, anten giống như các thiết bị chuyển tiếp giữa không gian bên ngoài và các thiết bị truyền dẫn bao gồm các đường cáp đồng trục hay ống dẫn sóng Đường truyền hoặc thiết bị truyền dẫn được sử dụng để truyền sóng điện từ từ nguồn phát đến anten và từ anten đến nơi tiếp nhận

Hình 2 1 - Một hệ thống truyền phát vô tuyến điển hình

Công nghệ anten hiện đại hỗ trợ việc thiết kế anten mạch in cho các hệ thống thông tin di động khác nhau, đặc biệt là cho trạm cơ sở và thiết bị đầu cuối di động Bảng 2.1 cho thấy xu hướng công nghệ và thiết kế anten gần đây [8]

Bảng 2 1- Các yếu tố ảnh hưởng tới Công nghệ và Thiết kế anten thời gian gần đây

động/ hệ thống thông tin liên lạc cá

Anten mới nhỏ, gọn, hiệu suất cao hơn chođiện thoại di động và các hệ thống không dây di động

nhân khác

Nâng cao khả năng truyền dữ liệu

và truyền thông tin

Anten thông minh, anten thích nghi và các hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) Phát triển các hệ thống di động

Tăng trưởng trong truyền thông vệ

tinh di động

Anten có không gian hoạt động hiệu suất cao hơn cung cấp các hoạt động đa chức năng

Liên kết với giáo thức mạng (IP) và

mạng truyền dẫn quang Anten nhỏ với hiệu suất cao cho thiết bị di động Thông tin về giao thông thông

minh, điều khiển, an toàn, và các hệ

thống quản lý

Anten được thiết kế đặc biệt cho cả phương tiện giao thông và cơ sở hạ tầng bên đường

Phát triển và ứng dụng vật liệu mới

Thiết kế lại các mẫu anten, và tạo ra các anten mớinhỏ, đa chức năng với hiệu suất cao, ứng dụng siêu vật liệu vào cấu trúc anten

Nâng cao độ chính xác cho các

máy tính mô phỏngđể phân tích,

Nâng cao nhận thức của công

chúng về an toàn bức xạ EM

Ưu tiên cho các anten có công suất truyền dẫn thấp hơn, giảm EMI và SAR

Nâng cao sự phát triển các chức

năng cho điện thoại di động hoặc

thông tin liên lạc

Anten được thiết kế đặc biệt theo từng mục đích Nghiên cứu việc truyền tín hiệu qua cơ thể con người và sự phát triển của antenghép

Trong các hệ thống thông tin di động, mỗi ứng dụng đòi hỏi một loại anten khác nhau Có nhiều loại anten như anten dây dẫn, anten khẩu độ, anten vi dải, anten mảng, anten phản xạ và anten ống kính Thứ nhất, anten dây dẫn là một loại anten thường được sử dụng trong một số ứng dụng như ô tô, nhà cửa, tàu v.v Có một số hình dạng khác nhau của anten dây ví dụ dây thẳng, mạch kín (hình tròn, hình chữ nhật, hình vuông, hình elip ) và anten xoắn

Hình 2 2 - Anten dây dẫn (a) Anten lưỡng cực (b) Anten mạch kín hình tròn

(c) Anten xoắn

Thứ hai, đó làanten khẩu độ là loại anten phức tạp hơn loại dây Các anten khẩu độ thường được sử dụng ở tần số cao hơn và rất hữu ích cho các ứng dụng trên máy bay hay tàu vũ trụ Một số hình dạng củaantenkhẩu độlà kim tự tháp, hình chóp nón và ống dẫn sóng hình chữ nhật

Thứ ba, đó là một antenthông thường – Anten vi dải Trong những năm qua, các antenvi dải được sử dụng cho các ứng dụng truyền trong không gian Tuy nhiên, ngày nay, nó thường được sử dụng cho các ứng dụng chính phủ và thương mại như bề mặt của máy bay hiệu suất cao, tàu vũ trụ, vệ tinh, xe hơi, đặc biệt là điện thoại di động Nó bao gồm một mảng kim loại trên chất nền Các mảng kim loại của antenvi dải có thể được thiết kế với hình chữ nhật hoặc hình tròn hoặc các hình thức khác nhau Các antenvi dải thường không tốn kém, dễ dàng để phân tích và chế tạo sử dụng công nghệ mạch in hiện đại

Hình 2 3 - Anten vi dải (a) Mặt bức xạ hình chữ nhật (b) Mặt bức xạ hình tròn

Tiếp theo, anten mảng là một loại anten với sự sắp xếp của các phân tử nhỏ hơn Các mạng anten có thể chứa các mảng dây, mảng khẩu độ hoặc mảng vi dải

Hình 2 4 - Các loại anten mảng

Hơn nữa, đó là loại anten phản xạ và anten ống kính được sử dụng cho một số ứng dụng truyền thông trên một khoảng cách rất lớn (hàng triệu dặm) và yêu cầu các mẫu tinh

vi

2.2 Anten cho điện thoại di động cầm tay

Hiện nay, một trong hai xu hướng chính trong thiết kế anten được thiết kế cho các

hệ thống điện thoại di động đòi hỏi phải có cấu hình thấp, tính linh hoạt, nhỏ gọn, tích hợp với các vật liệu thông dụng, đặc biệt là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, tích hợp và nhiều dải băng tần

Điện thoại di động sử dụng một anten tích hợp nhiều dải băng đó có thể bao gồm một số tiêu chuẩn tần số ví dụ GSM 800, 900, 1800, 1900 MHz và UMTS, WCDMA 1.8, 1.9, 2.1 và 2.5 GHz và LTE 1.8, 2.6 GHz Các dải tần số của tiêu chuẩn trên có thể được xác định như sau:

Băng tần CDMA còn được gọi là băng tần AMPS (850MHz): 824-894 MHz

Băng tần GSM còn được gọi là băng tần 900 MHz: 890-960 MHz

Băng tần GPS: 1575 MHz

Băng tần DCS còn được gọi là băng tần 1800 MHz: 1710-1880 MHz

Băng tần PCS còn được gọi là băng tần 1900 MHz: 1850-1990 MHz

Băng tần UMTS còn được gọi là băng tần 3G hoặc băng tần 2100 MHz: 1920-2170 MHz

Băng tần WLAN còn được gọi là băng tần Bluetooth (2.4 GHz): 2400-2480 MHz

Băng tần LTE còn được gọi là băng tần 1800 MHz: (1710-1880) hoặc 2600 MHz (2500-2690) [9]

Nói chung, các điện thoại di động bình thường được thiết kế chỉ cho một băng tần; tuy nhiên, các anten nhiều dải băng được phát triển là để thay thế cho các yêu cầu thông dụng nhất Ví dụ, tại châu Âu vào cuối những năm 1990, các anten hoạt động ở băng tần kép GSM 900 và băng tần DSC 1800 là yêu cầu tối thiểu Đầu những năm 2000, yêu cầu phổ biến nhất cho anten là anten phải bao gồm ba băng tần GSM 900, DSC 1800 và PCS

1900 Hơn nữa, có một số anten hoạt động ở bốn, năm hoặc bất kỳ dải tần số tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng của con người

Hình 2 5 - Anten mạch in đa băng

Trong điện thoại di động, anten được đặt trên một vị trí cố định phù hợp với vỏ anten và thiết kế điện thoại di động Có ba loại điện thoại di động chính cụ thể là dạng thanh, loại nắp gập và điện thoại di động dạng trượt Mỗi loại điện thoại di động sẽ yêu cầu các vị trí anten khác nhau như trong hình 2-6

Hình 2 6 - Các loại điện thoại thông thường (a) Điện thoại thanh (b) Điện thoại gấp (c) Điện thoại trượt

Với loại hình điện thoại di động dạng thanh, kích thước phổ biến là 40 - 50 mm cho chiều rộng và 100 mm với chiều dài mà không có đủ chiều dài để có băng thông tốt vậy nên các anten cần phải được đặt ở phần cuối của điện thoại di động Các anten của điện thoại di động nắp gập thường được gắn ở đầu, trên bản lề hoặc ở dưới cùng của chiếc điện thoại vì các mặt bằng phẳng khác nhau Và, với điện thoại di động dạng trượt, có hai bộ phận như một phần mở và phần khép kín, giúp thay đổi chiều dài của anten để anten cũng

có vị trí phù hợp

2.3 Các thông số cơ bản của anten

Một anten là một thiết bị có thể nhận hoặc/ và truyền tín hiệu vô tuyến Khi là một thiết bị nhận, nó có thể thu thập các tín hiệu vô tuyến từ không gian tự do và chuyển đổi chúng từ sóng điện từ (trong không gian tự do) thành sóng chạy trên đường truyền; khi là một thiết bị phát, nó có thể truyền tín hiệu vô tuyến tới không gian tự do bằng cách chuyển đổi các sóng chạy trên đường truyềnthành sóng điện từ trong không gian Trong một số trường hợp, một anten có thể phục vụ cả hai chức năng nhận và truyền Hình 2-7

mô tả các hoạt động cơ bản của một anten truyền Như đã trình bày, thông tin (bằng giọng nói, hình ảnh hoặc dữ liệu) được xử lý trong một máy phát sóng và sau đó tín hiệu đầu ra

từ máy phát sẽ truyền dọc theo đường truyền trước khi bị bức xạ tại điểm cuối làanten Các anten chuyển đổi tín hiệu sóng chạytrên đường truyềnthành sóng điện từ trong không

gian tự do Các hoạt động của một antenthu được sau một quá trình ngược lại, có nghĩa là, thu thập các tín hiệu vô tuyến bằng cách chuyển đổi các sóng điện từ trong không gian tự

thành tín hiệu song chạy trên đường truyền, sau đó được đưa vào máy thu thanh

Hình 2 7 - Nguyên lý hoạt động cơ bản của một anten phát

2.3.1.Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra Một trường làtrường cảm ứng (trường khu gần), trường này giàng buộc với anten; còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và

từ trường (xem hình 2.8)

Hình 2 8 - Các trường bức xạ tại khu xa

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường ở khu xa là các sóng phẳng Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách

từ điểm khảo sát tới nguồn tăng

2.3.2 Giản đồ bức xạ của Anten

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản

đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường

xa Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 2.9

Hình 2 9 - Hệ thống tọa đổ để phân tích anten

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của φ, và giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết

2.3.2.1 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng Mặc

dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình 2.10 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth

plane) với [f(∅ ), θ = π/2 ] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane)

với [g(θ), ∅ =const]

Hình 2 10 - Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức

xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ được thể hiện trong hình 2.11 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với ∅=0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π/2) là mặt phẳng H

Hình 2 11 - Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa

2.3.2.2 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các đồ thị bức xạ của antenlà một biểu thức toán học hay được minh họa bằng đồ thị của các thuộc tính bức xạ của anten trong hệ trục tọa độ không gian Trong đó, các đặc tính bức xạ có định hướng, pha, phân cực, cường độ bức xạ v.v

Các mô hình bức xạ có thể được thể hiện trong đồ thị ba chiều của mặt cắt ngang hoặc dọc hoặc hai chiều với đồ thị tuyến tính, đồ thị cực Nó bao gồm một số bộ phận khác nhau như búp sóng bức xạ - một phần của mô hình bức xạ được bao quanh bởi các vùng có cường độ bức xạ yếu Các búp sóng bức xạ bao gồm hai loại, cụ thể là búp sóng lớn (hoặc chính) và búp sóng phụ(nhỏ)[1]

Hình 2 12 - Một mô hình bức xạ hướng tính trong mặt phẳng

Búp sóng lớn (hoặc chính) là một phần búp sóng bức xạ với bức xạ tối đa Căn cứ vào các ứng dụng, một anten có thể bao gồm một hoặc nhiều hơn một búp sóng lớn như anten tách chùm có nhiều hơn 1 búp sóng Búp sóng phụ là các búp sóng không mong đợi như búp sóng bên, và búp sóng sau Búp sóng bên là búp sóngtiếp giáp với các búp sóng chính và chiếm giữ bán cầu theo hướng chùm tia chính Nói chung, đó là các búp sóng lớn nhất trong số các búp sóng nhỏ sau búp sóng chính Búp sóng sau là loại búp sóng nhỏ có trục tạo ra một góc (khoảng 180 độ) với búp sóng chính của anten Búp sóng sau chiếm giữ bán cầu theo hướng ngược lại với búp sóng lớn

Ngoài ra, căn cứ vào sự định hướng của đồ thị, đồ thị bức xạ có thể rơi vào ba dạng,

Các vùng trường được phân định như vậy để xác định cấu trúc trường trong mỗi vùng Không có sự thay đổi trường đột ngột nào khi đi qua biên giới giữa các vùng nói trên Các biên phân giới các vùng trường không phải là duy nhất, do có nhiều tiêu chuẩn khác nhau sử dụng để xác định các vùng trường

Vùng trường gần tác động trở lại (reactive near-field region)được định nghĩa là

“phần không gian trường gần trực tiếp bao quanh anten, xét ở khía cạnh trường tác động trở lại chiếm ưu thế” Trường này giàng buộc với nguồn bức xạ và trao đổi năng lượng

với nguồn Với hầu hết các anten, biên của vùng này được tính tại khoảng cách

3

R D  tính từ mặt phẳng anten, ở đóλ là bước sóng và D là đường kính lớn nhất của anten

Hình 2 14 - Các vùng trường của một anten

Vùng trường gần bức xạ (radiating near-field (Fresnel) region) được định nghĩa là

“phần không gian nằm giữa trường gần tác động trở lại và trường xa, xét ở khía cạnh trường bức xạ chiếm ưu thế” Nếu đường kính cực đại của anten không lớn hơn so với bước sóng, vùng này có thể không tồn tại Biên trong được tính ở khoảng cách

Vùng trường xa (Far-field (Fraunhofer) region) Nếu anten có kích thước lớn nhất là

D (D phải lớn hơn bước sóng, D> λ), vùng trường xa thường được xem là tồn tại ở khoảng cách lớn hơn 2

2D /tính từ anten Trong vùng này, trường là trường điện từ ngang Biên bên trong được xem như ở khoảng cách R 2

2D / và biên ngoài ở vô cực Trong vùng trường xa, dạng của giản đồ bức xạ hầu như không thay đổi khi dịch chuyển điểm quan sát ra xa dần Điều này được minh họa trong hình 2.15