Khảo sát ảnh hưởng của các thành phần hình học đến đặc tính của antenna planar uwb

Bằng phương pháp tham số hóa, phân tích toàn sóng cấu trúc antenna với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, đề tài thực hiện khảo sát đặc tính cộng hưởng của các yếu tố này khi tác động lên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TRUNG LƯƠNG MSHV: 10140013

Ngày, tháng, năm sinh: 18/11/1987 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số : 60 52 70 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN HÌNH HỌC ĐẾN ĐẶC TÍNH CỦA ANTENNA PLANAR UWB

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gởi đến Ts Phan Hồng Phương và Ths Hoàng Mạnh Hà lời cảm

ơn chân thành với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc về sự hướng dẫn đầy chu đáo và nhiệt tình Đã dẫn dắt, tạo cho chúng em cách tư duy và làm việc một cách khoa học, hướng chúng em đến các đề tài khoa học mới mẽ, tiếp cận với các công nghệ hiện đại

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ngành Kỹ Thuật Điện Tử đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu

Chúng con xin gởi đến cha mẹ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất Cha mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ chúng con nên người và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho con trong cuộc đời

Chúng tôi xin cảm ơn các bạn đã cùng học tập, giúp đỡ, động viên và cùng chúng tôi bước trên con đường nghiên cứu này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2012

Học viên Nguyễn Trung Lương

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong xu hướng phát triển hệ thống UWB, antenna được đẩy mạnh nghiên cứu, đặc biệt là dạng antenna Planar UWB Các yếu tố hình học patch/slot được đưa vào tác động lên đặc tính bức xạ antenna nhằm thỏa mãn yêu cầu chuẩn UWB Bằng phương pháp tham số hóa, phân tích toàn sóng cấu trúc antenna với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, đề tài thực hiện khảo sát đặc tính cộng hưởng của các yếu tố này khi tác động lên trở kháng, hệ số phản xạ, độ lợi và hiệu suất antenna Planar UWB Khảo sát với các dạng hình học cơ bản: hình chữ nhật, hình thang, hình ellip tác động đến các antenna UWB mẫu: Monopole hình chữ nhật, Monopole hình tròn

và antenna slot tròn ứng với các trường hợp coupling cạnh bức xạ, slot dọc cạnh bức xạ, slot dọc cạnh trên của mass Các kết luận được rút ra để từ đó đi đến thiết kế các cấu trúc antenna UWB với băng tần 3.1-10.6GHz, có Band-Notched chắn dải WLAN 5.150-5.825GHz Tác động của patch cung tròn lên antenna được phân tích mạch tương đương, mô phỏng so sánh kết quả với phân tích toàn sóng và thi công

đo đạc

ABSTRACT

In UWB systems, antenna is an important part that attracts many researchers’ attention Especially, planar UWB antennas are very popular where geometrical elements such as patches/slots are used They affect antenna radiation characteristics to make it satisfy the UWB standards By using parameterization method, full-wave analysis of antenna structures with the aid of computer software, the thesis is a study of resonance characteristics of these factors as impact resistance, reflectivity, gain and efficiency of Planar UWB antenna The author focuses on studying the effect of basic geometrical forms such as rectangular, trapezoidal, elliptical shapes on the basic UWB antenna structures – rectangular monopole, circle monopole and circle slot antennas with the edge radiation coupling case, slot radiation along the edge case, slot along the top edge of the mass case The conclusions have been made in order to design the UWB antenna structures operating in the frequency range 3.1-10.6GHz, with band-notched at WLAN 5.150-5.825GHz The impact of arc patches on antennas is modeled in an equivalent circuit, the results are compared with full-wave analysis and measurement

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan các kết quả đề tài thực hiện chưa từng công bố trong bất kỳ công trình khoa học trước đây

Người cam đoan Nguyễn Trung Lương

MỤC LỤC

Trang bìa i

Trang phụ ii

Nhiệm vụ luận văn iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt luận văn v

Lời cam đoan vii

Mục lục viii

Danh sách hình vẽ & bảng biểu x

Danh sách các từ viết tắt xix

Chương 1 Mở đầu 1

1.1 Động lực thực hiện đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Các công trình nghiên cứu thiết kế antenna UWB trước đây 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 18

1.4.1 Hướng tiếp cận 18

1.4.2 Phương pháp 21

1.5 Khái quát nội dung chính 22

Chương 2 Khái quát công nghệ UWB và các chuẩn quy định 24

2.1 Khái quát công nghệ UWB 24

2.1.1 Phân loại hệ thống 24

2.1.2 Đặc điểm hệ thống UWB 26

2.2 Các chuẩn quy định 26

2.2.1 Quy định về dải tần 26

2.2.2 Quy định về EIRP 27

2.2.3 Giới hạn công suất đỉnh 29

2.3 Ứng dụng UWB 29

Chương 3 Antenna UWB 33

3.1 Các thông số đặc trưng của antenna UWB 33

3.1.1 Trong miền thời gian 33

3.1.2 Trong miền tần số 33

3.2 Phân loại antenna UWB 35

3.2.1 Antenna không cộng hưởng 35

3.2.2 Antenna cộng hưởng 38

3.3 Microstrip Feed & Coplanar Waveguide Feed 40

3.3.1 Microstrip Feed 40

3.3.2 Coplanar Waveguide Feed 41

Chương 4 Khảo sát ảnh hưởng của các thành phần hình học đến đặc tính của antenna Planar UWB 42

4.1 Các mẫu antenna UWB 42

4.1.1 Antenna hình chữ nhật 42

4.1.2 Antenna tròn 44

4.1.3 Antenna slot tròn 46

4.2 Coupling với cạnh bức xạ 48

4.3 Slot dọc theo cạnh bức xạ 65

4.4 Slot dọc theo cạnh trên của mass 72

Chương 5 Thiết kế antenna UWB 80

5.1 Antenna Monopole tròn với hai patch phụ coupling cạnh bức xạ 80

5.2 Antenna Monopole tròn với slot hình số 8 & meander slot 90

Chương 6 Kết luận & Kiến nghị 96

6.1 Kết luận 96

6.2 Kiến nghị 97

Tài liệu tham khảo 98

DANH SÁCH HÌNH VẼ & BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Antenna Monopole với slot hình T ngược, hai slot hình chữ nhật

Hình 1.10 Ba mẫu cấu trúc antenna UWB có Band-Notched[25]

Hình 1.11 Kết quả Return Loss và đô ̣ lợi ứng với các mẫu antenna[25]

Hình 1.12 Antenna Circular Slot và đáp ứng tần số S11[26]

Hình 1.13 Tạo ra Band-Notched từ các da ̣ng slot khác nhau[26]

Hình 1.14 Đáp ứng tần số của S11 ứng với các dạng slot[26]

Hình 1.15 a) Antenna Monopole với hai U slot

b) Đồ thị VSWR[27]

Hình 1.16 Độ lợi antenna[27]

Hình 1.17 Antenna Monopole với da ̣ng U slot ngược[28]

Hình 1.18 a) Antenna Monopole với E slot, b) Đồ thị S11[29]

Hình 1.19 Antenna Monopole bán tròn với bốn patch phụ[35]

Hình 1.20 Cấu trúc Meander Line

Hình 1.21 a) Antenna Monopole UWB sử dụng các slot Meander Line

b) Đồ thị VSWR[38]

Hình 1.22 Mật độ dòng điện bề mặt antenna[38] tại các tần số

Hình 1.23 a) Antenna Monopole tròn với Meander Line ở cạnh trên mass[39]

b) Đồ thị VSWR

Hình 1.24 a) Antenna Monopole với Coupling Patch

b) Đồ thị Return Loss[42]

Hình 1.25 Mạch tương đương của yếu tố Coupling Patch trong cấu trúc antenna[42] Hình 1.26 Mô hình mạch tương đương của antenna Monopole UWB[42]

Hình 1.27 So sánh S11 giữa phân tích tương đương, phân tích toàn sóng

cấu trúc antenna UWB, và kết quả đo đạc[42]

Hình 1.28 a) Antenna UWB với Complementary Slip Ring Resonator

b) Đồ thị VSWR[43]

Hình 1.29 a) Antenna Circle Monopole với Slip Ring ở mặt phẳng mass[44]

b) Mạch tương đương Slip Ring c) Đồ thị VSWR

Hình 1.30 So sánh tính chọn lọc tần số giữa antenna[46] và các antenna UWB khác Hình 1.31 Antenna UWB Band-Rejection và đáp ứng S11[46]

Hình 1.32 a) Antenna UWB

b) antenna UWB thu gọn kích thước & kết quả đo đạc thực nghiệm[47]

Hình 1.33 Antenna UWB và đồ thị Return Loss[48]

Hình 1.34 Phân bố mật độ dòng điện antenna Planar Monopole[8]

Hình 1.35 Mô hình đường truyền sóng của antenna planar Monopole[8]

Hình 1.36 Phân bố mật độ dòng điện tại tần số 6GHz theo các

Charateristic Mode của mặt đĩa tròn trong không gian[9]

Hình 1.37 Mô hình tương đương antenna[11]

Hình 1.38 Tiến trình nghiên cứu

Hình 2.1 So sánh băng tần hoạt động giữa hệ thống thông tin băng hẹp

và hệ thống UWB[13]

Hình 2.2 So sánh phổ tần giữa I-UWB và MC-UWB[13]

Hình 2.3 Định nghĩa băng tần của FCC[13]

Hình 2.4 Điện thoại cầm tay có chức năng UWB của Samsung[15]

Hình 2.5 CableFree USB Hub 4 port của Belkin[15]

Hình 2.6 a) Định vị vật thể bằng mạng cảm biến Bat-Type

b) Vật thể được phát thảo bằng mạng cảm biến UWB[16]

Hình 2.7 Hô hấp của con người được quan sát bằng mạng cảm biến radar[16]

Hình 3.1 Mô hình truyền sóng giữa antenna phát và antenna thu

Hình 3.7 Planar Monopole antenna[17]

Hình 3.8 a) Antenna Planar tròn và b) Antenna Planar ellip[17]

Hình 3.9 Cấu trúc đường truyền ML (a) và phân bố trường (b)[18]

Hình 3.10 Cấu trúc đường truyền CPW (a) và phân bố trường (b)[19]

Hình 4.1 Mẫu antenna Monopole hình chữ nhật

Hình 4.2 Đặc tuyến S11 antenna hình chữ nhật trên đồ thị Smith

Hình 4.3 Đồ thị bức xạ antenna theo a) H-plane và b) E-plane

ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz

Hình 4.4 a) Độ lợi và b) Hiệu suất antenna

Hình 4.5 Mật độ phân bố dòng điện antenna tại các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz Hình 4.6 Mẫu antenna Monopole tròn

Hình 4.7 Đặc tuyến S11 antenna tròn trên đồ thị Smith

Hình 4.8 Đồ thị bức xạ antenna ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz

Hình 4.9 a) Độ lợi và b) Hiệu suất antenna

Hình 4.10 Mật độ phân bố dòng điện antenna tại các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz Hình 4.11 Mẫu antenna Monopole slot tròn với patch kích thích hình thang

Hình 4.12 Đặc tuyến S11 antenna tròn trên đồ thị Smith

Hình 4.13 Đồ thị bức xạ antenna ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz

Hình 4.14 Độ lợi và hiệu suất antenna

Hình 4.15 Mật độ phân bố dòng điện antenna tại các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz Hình 4.16 Tham số hóa vị trí và kích thước của patch phụ hình chữ nhật

Hình 4.17 Đồ thị Return Loss ứng với các trường hợp

Hình 4.18 Trở kháng vào antenna ứng với các trường hợp có

và không có coupling patch phụ

Hình 4.19 Đồ thị bức xạ trong a) H-plane và b) E-plane ứng với các tần số 3GHz,

6GHz và 10 GHz trong hai trường hợp có và không có coupling

Hình 4.20 Đồ thị bức xạ trong a) H-plane và b) E-plane ứng với tần số 6.87GHz,

trong hai trường hợp có và không có coupling

Hình 4.21 a) Độ lợi và b) Hiệu suất antenna trong hai trường hợp

Hình 4.28 Tỷ số RT ứng với các trường hợp thay đổi kích thước

Hình 4.29 Tần số cộng hưởng f0 biến đổi ứng với h và er khác nhau

Hình 4.30 Patch phụ hình thang & ellip

Hình 4.31 Hệ số phản xạ ứng với các dạng patch phụ khác nhau

Hình 4.32 Với các dạng patch khác nhau tần số cộng hưởng bị lệch đi

Hình 4.33 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí y

(x/h = 1, L/h = 13, W/h = 3 ) ứng với các dạng patch

Hình 4.34 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí x

(y/h = 3, L/h = 13, W/h = 3) ứng với các dạng patch

Hình 4.35 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước L

(x/h = 1, y vị trí II, W/h =3) ứng với các dạng patch

Hình 4.36 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước W

(x/h = 1, y/h = 3, L/h = 13) ứng với các dạng patch

Hình 4.37 Hệ tọa độ tham chiếu khi khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng 

Hình 4.38 Ảnh hưởng góc nghiêng  đến tần số cộng hưởng

& hệ số phẩm chất Q patch hình thang

Hình 4.39 Tác động đến đồ thị bức xạ của các dạng patch

Hình 4.40 Tác động đến độ lợi của các dạng patch

Hình 4.41 Tác động đến hiệu suất bức xạ của các dạng patch

Hình 4.42 Tham số hóa tọa độ và vị trí các dạng patch với antenna tròn

Hình 4.43 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí y

(x/h = 1, L/h = 13, W/h = 3 ) ứng với các dạng patch

Hình 4.44 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí x

(y/h = 0, L/h = 13, W/h = 3) ứng với các dạng patch

Hình 4.45 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước L

(x/h = 1, y vị trí II, W/h =3) ứng với các dạng patch

Hình 4.46 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước W

(x/h = 1, y/h = 0, L/h = 13) ứng với các dạng patch

Hình 4.47 Tham số hóa tọa độ và vị trí các dạng patch với antenna slot tròn

Hình 4.48 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí y

(x/h = 3, L/h = 13, W/h = 2 ) ứng với các dạng patch

Hình 4.49 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo vị trí x

(y/h = 0, L/h = 13, W/h = 2) ứng với các dạng patch

Hình 4.50 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước L

(x/h = 2, y vị trí II, W/h =1) ứng với các dạng patch

Hình 4.51 Tần số cộng hưởng & hệ số phẩm chất Q thay đổi theo kích thước W

(x/h = 1, y/h = 0, L/h = 13) ứng với các dạng patch

Hình 4.52 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh bức xạ

antenna hình chữ nhật

Hình 4.53 Hệ số phản xạ & trở kháng antenna ứng với có và không có slot

Hình 4.54 Độ lợi & hiệu suất antenna ứng với có và không có slot

Hình 4.55 Tác động đến đồ thị bức xạ của slot hình chữ nhật

Hình 4.56 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo L (W/h = 1,

x/h = 1, y/h = -6 ) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.57 Độ giảm độ lợi & hiệu suất antenna hình chữ nhật theo L

tại tần số cộng hưởng f0

Hình 4.58 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo W (L/h = 13,

x/h = 1, y/h = -6) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.59 Độ giảm độ lợi & hiệu suất antenna hình chữ nhật theo W

tại tần số cộng hưởng f0

Hình 4.60 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí x (L/h =

13, W/h = 1, y/h = -6) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.61 Độ giảm độ lợi & hiệu suất antenna hình chữ nhật theo vị trí x

tại tần số cộng hưởng f0

Hình 4.62 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí y (L/h =

13, W/h = 1, x/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.63 Độ giảm độ lợi & hiệu suất antenna hình chữ nhật theo vị trí y

tại tần số cộng hưởng f0

Hình 4.64 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh bức xạ antenna tròn Hình 4.65 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo L (W/h = 1,

x/h = 4, y/h = -7) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn

Hình 4.66 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo W (L/h = 13,

x/h = 4, y/h = -7) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn

Hình 4.67 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí x (L/h =

13, W/h = 1, y/h = -7) ứng với các dạng patch

Hình 4.68 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí y (L/h =

13, W/h = 1, x/h = 5) ứng với các dạng patch

Hình 4.69 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh trên

mass antenna hình chữ nhật

Hình 4.70 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo L (W/h = 1,

x/h = 0.5, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.71 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo W (L/h = 13,

x/h = 0.5, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.72 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí x (L/h =

13, W/h = 1, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna chữ nhật

Hình 4.73 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí y (L/h =

13, W/h = 1, x/h = 0.5) ứng với các dạng patch

Hình 4.74 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh trên

mass antenna tròn

Hình 4.75 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo L (W/h = 1,

x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn

Hình 4.76 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo W (L/h = 10,

x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn

Hình 4.77 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí x (L/h =

10, W/h = 1, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn

Hình 4.78 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí y (L/h =

10, W/h = 1, x/h = 2) ứng với các dạng patch tác động antenna tròn

Hình 4.79 Tham số hóa vị trí và tọa độ các dạng slot dọc cạnh trên

mass antenna slot tròn

Hình 4.80 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo L (W/h = 1,

x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn

Hình 4.81 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo W (L/h = 10,

x/h = 2, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn

Hình 4.82 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí x (L/h =

10, W/h = 1, y/h = 1) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn

Hình 4.83 Tần số cộng hưởng f0 & hệ số phản xạ tại f0 thay đổi theo vị trí y (L/h =

10, W/h = 1, x/h = 2) ứng với các dạng patch tác động antenna slot tròn

Hình 5.1 Antenna Monopole tròn với hai patch coupling

Hình 5.2 Antenna Monopole tròn

Hình 5.3 Hệ số phản xạ antenna Monopole tròn

Hình 5.4 Hệ số phản xạ trường hợp có và không có patch coupling

Hình 5.5 Trở kháng antenna trường hợp có và không có patch coupling

Hình 5.6 Đồ thị bức xạ antenna ứng với có và không có patch phụ tại các tần số

3GHz, 6GHz và 10GHz

Hình 5.7 Đồ thị bức xạ antenna ứng với có và không có patch phụ tại 5.5GHz Hình 5.8 Độ lợi antenna

Hình 5.9 Hiệu suất anenna

Hình 5.10 Điện dung coupling của patch phụ

Hình 5.11 Sơ đồ tương đương của antenna Monopole tròn không có patch phụ Hình 5.12 So sánh sơ đồ tương đương và phân tích toàn sóng antenna Monopole Hình 5.13 Sơ đồ tương đương antenna có Notched

Hình 5.14 So sánh hệ số phản xạ giữa phân tích toàn sóng & sơ đồ tương đương Hình 5.15 Mật độ dòng điện antenna tại các tần số

Hình 5.16 Cấu trúc mô phỏng Group Delay antenna UWB

Hình 5.17 Group Delay trong các trường hợp

Hình 5.18 Antenna thi công & Kết quả đo đạc

Hình 5.19 Đồ thị S11 phân tích toàn sóng, mạch tương đương và đo đạc

Hình 5.20 Đồ thị VSWR phân tích toàn sóng, mạch tương đương và đo đạc

Hình 5.21 Antenna Monopole tròn với slot hình số 8 & meander line

Hình 5.22 Antenna Monopole tròn và đáp ứng Return Loss

Hình 5.23 Hệ số phản xạ khi có & không có các slot

Hình 5.24 Trở kháng antenna ứng với trường hợp có & không có các slot

Hình 5.25 Đồ thị bức xạ ứng với các tần số 3GHz, 6GHz và 10GHz

Hình 5.26 Đồ thị bức xạ ứng với các tần số 5.5GHz

Hình 5.27 Độ lợi antenna có & không có Band-Notched

Hình 5.28 Hiệu suất antenna giảm mạnh tại Band Notched

Hình 5.29 So sánh tỷ số sóng đứng antenna

Hình 5.30 Mật độ dòng điện antenna UWB

Hình 5.31 Group Delay trong các trường hợp

Hình 5.32 Antenna thi công & Kết quả đo đạc

Hình 5.33 Đồ thị S11 antenna ứng với phân tích toàn sóng,

mạch tương đương và đo đạc

Hình 5.34 Đồ thị VSWR antenna ứng với phân tích toàn sóng,

mạch tương đương và đo đạc

Bảng 2.1 Giới hạn EIRP cho thiết bị GPR[14]

Bảng 2.2 Giới hạn EIRP cho các thiết bị TWI[14]

Bảng 2.3 Giới hạn EIRP cho các thiết bị SS[14]

Bảng 2.4 Giới hạn EIRP cho các thiết bị MS[14]

Bảng 2.5 Giới hạn EIRP cho các thiết bị VRS[14]

Bảng 2.6 Giới hạn EIRP cho các thiết bị CMS[14]

Bảng 4.1 Kích thước mẫu antenna Monopole hình chữ nhật Bảng 4.2 Kích thước mẫu antenna Monopole tròn

Bảng 4.3 Kích thước mẫu antenna Monopole slot tròn

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMS Communications & Measurement System

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power

FCC Federal Communications Commission

GPR Ground Penetrating Radar

I-UWB Impulse Ultrawide Band

MC-UWB Multicarrier Ultrawide Band

MSL Microstrip Line

RFID Radio Frequency IDentification

SS Surveillance System

TWI Through-Walls Imaging

VRS Vehicular Radar System

WLAN Wireless Local Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Động lực thực hiện đề tài

Trong xu hướng phát triển mạng lưới thông tin nói chung và thông tin vô tuyến nói riêng, hệ thống Ultrawide Band (UWB) không ngừng được đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều lĩnh vực đáp ứng nhu cầu con người Các ứng dụng của UWB đa dạng từ quân sự đến dân dụng

Trong lĩnh vực radar, UWB được sử dụng để dò tìm xuyên mặt đất (Ground Penetrating Radar (GPR)), dò tìm đường hầm dưới lòng đất (Hidden Underground Tunnel Detection), cũng như các mỏ quặng Trong công trình nghiên cứu gần đây[1], GPR sử dụng phương pháp xử lý dữ liệu dựa trên thay đổi pha của tín hiệu phản xạ, với nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác UWB có thể phát hiện vật thể nằm trong vùng bị che chắn mà mắt thường không thấy được (Through-Wall Imaging), cũng như phát triển các ứng dụng định vị[2] Ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác trong RFID, Collision Avoidance Radar

Trong y học, hệ thống UWB hỗ trợ đắc lực trong việc theo dõi bệnh nhân, quan sát liên tục nhịp thở, nhịp tim người bệnh để kịp thời ngăn chặn đột tử do nghẽn hô hấp

và tim ngừng đập[3] Các nghiên cứu gần đây cho thấy UWB có khả năng theo dõi

và phát hiện ra các bệnh ung thư[4] Kết nối vô tuyến Indoor cũng là môt trong những lĩnh vực tiềm năng phát triển mạnh UWB Từ khi Federal Communications Commission (FCC) đưa ra các quy định cho UWB cho đến sau này chuẩn IEEE 802.15.3/3a ra đời đã tạo được sự thống nhất, thúc đẩy nghiên cứu và phát triển công nghệ này Các thiết bị UWB đã xuất hiện trên thị trường Trong hệ thống UWB, antenna đóng vai trò vô cùng quan trọng

Vì UWB mang các nét đặc trưng riêng biệt so với các hệ thống thông tin băng hẹp truyền thống nên các antenna UWB cũng mang những đặc điểm riêng trong thiết kế[5] Các thông số đặc trưng antenna UWB có thể kể đến bao gồm: băng tần hoạt động, đồ thị bức xạ, phân cực, độ lợi, hiệu suất, độ trễ nhóm, kích thước Các thông

số này phải đáp ứng các yêu cầu đặc ra trong hệ thống UWB và phù hợp với từng

ứng dụng Có nhiều loại antenna được nghiên cứu trong thiết kế antenna UWB, nhìn chung phân làm hai nhóm chính: antenna không cộng hưởng và antenna cộng hưởng[6]

Antenna không cộng hưởng bao gồm: antenna độc lập với tần số, antenna Helix, antenna Horn Nhóm antenna này có hệ số phẩm chất Q rất thấp, băng tần hoạt động rất rộng phù hợp với antenna UWB tuy nhiên về kích thước khó ứng dụng trong các thiết bị cầm tay Thêm vào đó phân cực có thể đổi theo tần số và độ trễ nhóm khá lớn so với nhóm antenna cộng hưởng

Antenna cộng hưởng là nhóm antenna có hệ số phẩm chất Q tương đối thấp như Planar Monopole, nhóm này thường ứng dụng trong các hệ thống thông tin băng hẹp Tuy nhiên, có thể điều chỉnh cấu trúc bức xạ để tăng cường băng tần hoạt động, đáp ứng yêu cầu hệ thống UWB Ngoài việc có băng tần hẹp ra, nhóm này có các ưu điểm phù hợp trong thiết kế antenna UWB như bức xạ dạng omni-direction,

độ trễ nhóm khá nhỏ, phân cực, độ lợi, hiệu suất khá ổn định trên miền tần số Antenna Planar Monopole 2D hay còn gọi là printed Monopole lại có thêm ưu thế

về kích thước nhỏ gọn, nhẹ, dễ tích hợp với các phần tử mạch, dễ chế tạo cấu trúc không phức tạp thích hợp tốt với các thiết bị UWB cầm tay, di động Các bài báo nghiên cứu thiết kế antenna UWB trong xu hướng phát triển hiện nay cũng tập trung chủ yếu vào dạng này

Với động lực đó, đề tài thực hiện việc nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thành phần hình học lên antenna Planar UWB Đưa ra phương pháp nghiên cứu, thiết kế thi công cấu trúc antenna, hướng đến phân tích mạch tương đương

1.2 Mục tiêu đề tài

Khảo sát đặc tính cộng hưởng của các yếu tố hình học cơ bản bao gồm hình chữ nhật, hình thang và hình ellip khi tác động lên các dạng antenna Planar UWB tiêu biểu: antenna Monopole hình chữ nhật, antenna Monopole tròn và antenna slot tròn

có patch kích thích hình thang trong các trường hợp: coupling cạnh bức xạ, slot dọc cạnh bức xạ và slot dọc cạnh trên của mass

Các nhận xét rút ra được áp dụng trong thiết kế cấu trúc antenna UWB với yêu cầu băng tần hoạt động 3.1 – 10.6GHz theo chuẩn UWB, độ lợi trên 2dB, kích thước không quá 50 x 50 mm và có Band-Notched Phân tích định tính và đưa ra mạch tương đương cho antenna

1.3 Các công trình nghiên cứu thiết kế antenna UWB trước đây

Các nghiên cứu gần đây đưa ra nhiều dạng cấu trúc antenna Planar UWB Đa phần đều là dạng Printed Monopole Một cách tương đối, các antenna UWB có thể chia làm hai nhóm:

 Nhóm Patch Antenna với các hình dạng khác nhau: hình chữ [22][24][27]-[29][34][40]-[43], hình tròn[30][37][39][44], bán tròn[23][31][33][35][38], hình thang và các hình dạng khác được hiệu chỉnh từ các dạng cơ bản

nhật[20]- Nhóm Slot Antenna bao gồm: Slot tròn[26][36][46], Aperture hình chữ nhật[25] và các dạng khác

Các antenna được cấp nguồn với Microstrip Line hoặc Coplanar Wave Guide Có nhiều phương pháp thiết kế antenna UWB Trong đó, các antenna có băng tần hoặc theo chuẩn FCC 3.1-10.6 GHz hoặc có thêm Band-notched, chắn các dải tần của các

hệ thống thông tin băng hẹp khi cùng hoạt động (như WLAN 5.150-5.825 GHz, WiMAX 3.5 GHz)

Các thiết kế khác nhau đều bắt đầu từ việc đưa ra cấu trúc antenna Monopole cơ bản với băng tần UWB Các yếu tố hình học sau đó được đưa vào để hiệu chỉnh cấu trúc, từ đó làm thay đổi thông số hoạt động của antenna Nhìn chung, các yếu tố này được dùng để:

 Mở rộng băng tần hoạt động, trải dài từ 3.1-10.6 GHz

 Tạo Band-notched tại các dải tần của hệ thống thông tin băng hẹp

 Thu gọn kích thước antenna

Trường hợp chỉ mở rộng băng tần hoạt động , trong nghiên cứu[20] sử dụng một slot hình T ngược hiệu chỉnh cạnh trên của mass và hai slot hình chữ nhật đặt song song với hai cạnh patch bức xạ Các slot tác động làm tăng băng tần đến 120% (3.12 -

12.73 GHz) Tác động của slot hình T được giải thích là làm thay đổi dung kháng giữa patch bức xạ và mass, việc có thêm hai slot hình chữ nhật dùng để tạo ra các tần số cộng hưởng góp phần tăng cường băng tần

Hình 1.1 Antenna Monopole với slot hình T ngược,

hai slot hình chữ nhật và hệ số phản xạ[20]

Hình 1.2 Băng tần hoạt động của antenna[20]

Cũng sử dụng một slot hình chữ nhật đặt ở cạnh trên mass, nghiên cứu[21] đưa ra

sơ đồ tương đương phân tích tác động này dựa vào lý thuyết nêu ra trong[19] Tuy nhiên băng tần vẫn chưa được cải thiện tốt so với[20]

Hình 1.3 Cấu trúc antenna và đồ thị S11[21]

Hình 1.4 Sơ đồ tương đương của slot hình chữ nhật ở cạnh trên mass[21]

Việc ghép các patch vào patch bức xạ chính cũng có thể tạo ra các tần số cộng hưởng phụ góp phần tăng cường băng tần hoạt động của antenna như trong[22][23] Trong [22], hai patch phụ được ghép ở cạnh trên patch bức xạ chính cho các tần số cộng hưởng tại 3.5 GHz, 6 GHz và 8 GHz

Hình 1.5 Antenna Monopole với hai patch phụ

ghép cạnh trên patch bức xạ chính và đồ thị phản xạ[22]

Tương tự, trong[23], hai patch hình gamma đối xứng được thêm vào cấu trúc antenna bán ellip

Hình 1.6 Antenna bán Ellip với hai patch phụ hình gamma[23]

Các patch phụ có chiều dài điện hiệu dụng bằng một nữa bước sóng tại tần số cộng hưởng Kết quả thiết kế và đo đạc sau khi tối ưu các thông số trong[23], như sau

Hình 1.7 Đồ thị S11[23]

Trong[24], cả patch và slot đều được dùng để nớ i rô ̣ng băng tần antenna

Hình 1.8 Antenna Monopole với băng tần mở rộng khi thêm

patch và slot[24]

Với viê ̣c thêm vào slot hình T ngược ở trong patch bức xa ̣ , gần ca ̣nh dưới và mô ̣t patch phu ̣ đồng da ̣ng slot , coupling với patch chí nh, băng tần mở rô ̣ng đến 130% (2.91-14.1 GHz)

Ngoài việc tăng cường băng tần , các yếu tố hình học còn có thể tác động đến cấu trúc antenna để tạo ra các Band -notched Band-notched chắn các dải tần của hệ thống thông tin băng hẹp (WLAN, WiMAX…) khi cùng hoạt động trong một khu vực với hệ thống UWB

Trong[25], dựa trên cấu trúc antenna với slot bức xạ có dạng hình chữ nhật , các slot lần lươ ̣t được đưa vào để ta ̣o băng chắn

Hình 1.9 a) Antenna Slot Monopole, b) Đồ thị Return Loss[25]

Hình 1.10 Ba mẫu cấu trúc antenna UWB có Band-Notched[25]

Mẫu antenna thứ nhất ta ̣o mô ̣t slot da ̣ng vòng hở , chiều dài tương đương với nửa bước sóng ta ̣i tần số 5.5 GHz (dải chắn WLAN 5.150-5.825 GHz) Trong khi mẫu thứ hai là hai slot hở đầu cuối mỗi slot có chiều dài khoảng mô ̣t phần tư bước sóng cũng tại tần số 5.5 GHz Mẫu cuối cùng thêm vào hai patch phu ̣ đối xứng hai bên , mỗi patch có chiều dài nữa bước sóng Kết quả mô phỏng hê ̣ số phản xa ̣ như sau

Hình 1.11 Kết quả Return Loss và đô ̣ lợi ứng với các mẫu antenna[25]

Cả ba mẫu antenna đều có Band -Notched từ 5-6 GHz và phối hợp trở kháng tốt ở các dải tần còn lại trong vùng băng tần UWB Các đáp ứng Return Loss tại dải chắn tương đối giống nhau Trong thiết kế gần đây , mô ̣t cấu trúc antenna UWB khác với phương pháp Band -Notched tương tự nhưng cho đáp ứng tần số tốt hơn được đưa ra[26]

Hình 1.12 Antenna Circular Slot và đáp ứng tần số S11[26]

Cũng cùng dạng antenna Slot , nhưng slot bức xa ̣ hình tròn Antenna ban đầu được thiết kế tương đối không phối hơ ̣p tốt ở các tần số 4 GHz, 6 GHz, 9-10 GHz trong miền UWB Sau đó, bốn da ̣ng slot được đưa vào như sau

Hình 1.13 Tạo ra Band-Notched từ các da ̣ng slot khác nhau[26]

Trong các da ̣ng slot đó , dạng A với hai slot hình L ngược , ở hai bên patch bức xạ cho đáp ứng tần số S 11 tốt nhất , và đặc tính chắn dải tốt hơn so vớ i thiết kế trong[25]

Hình 1.14 Đáp ứng tần số của S11 ứng với các dạng slot[26]

Nhìn chung các slot có nhiều hình dạng khác nhau , thường thấy là da ̣ng hình chữ U hoă ̣c U ngược ở patch bức xa ̣ chính[27][28][29] Trong[27], patch bức xa ̣ được hiê ̣u chỉnh bởi hai U slot đối xứng , tạo ra Band -notched chắn dải tần 5.02-5.97 GHz Mỗi U slot có chiều dài tương đương nữa bước sóng ta ̣i tần số trung tâm băng chắn

Hình 1.15 a) Antenna Monopole với hai U slot và b) Đồ thị VSWR[27]

Trong thiết kế này, đô ̣ lợi đa ̣t được khá ổn đi ̣nh trên miền tần số

Hình 1.16 Độ lợi antenna[27]

Cũng sử dụng U slot , trong[28] U slot ngươ ̣c được đă ̣t ngay giữa patch bức xa ̣ Chiều dài hiê ̣u du ̣ng U slo t tương đương nữa bước sóng ta ̣i tần số công hưởng Band-notched

Hình 1.17 Antenna Monopole với da ̣ng U slot ngược[28]

Trong nghiên cứu [28] này, 19 mẫu thử với chiều dài , chiều rô ̣ng slot , bề dày và hằng số điê ̣n môi substrate khá c nhau được sử du ̣ng để kiểm chứng giữa viê ̣c tính toán lý thuyết chiều dài nữa bước sóng slot và kết quả đo đạc thực nghiệm Vớ i phương pháp tính để ra[28] kết quả thu được có đô ̣ chính xác 2%

Phát triển từ dạng U, antenna[29] đươ ̣c thiết kế Band-notched với E slot

a) b)

Hình 1.18 a) Antenna Monopole với E slot, b) Đồ thị S11[29]

So với da ̣ng U slot [27] hê ̣ số phẩm chất Q của Band -notched E slot tương đối tốt hơn

Các dạng slot Y , O, T, W cũng được sử du ̣ng trong thiết kế [30][31][32][33], tuy có nhiều dạng khác nhau nhưng kích thước hiệu dụng của các slot đều bằng một nữa bước sóng tại tần số trung tâm băng chắn

Trong khi [34] sử du ̣ng patch hình I vừa tạo dải chắn cho antenna vừa đảm bảo k ích thước antenna nhỏ gọn , [35] đưa vào hai slot ghép ngoài hai ca ̣nh bức xa ̣ cô ̣ng với hai slot song song ở mă ̣t phẳng mass Nét nổi bậc trong thiết kế[35] nằm ở chổ patch phụ thêm vào có mỗi cạnh bên bằng nữa bước sóng tại các tần số fl và fh(Band-notched chắn dải tần fl-fh), đầu cuối có dạng taper Kết quả cho Band-notched với hệ số Q khá tốt

Hình 1.19 Antenna Monopole bán tròn với bốn patch phụ[35]

Không chỉ riêng các slot thuô ̣c ho ̣ hình chữ nhâ ̣t, các slot/patch cung tròn cũng được sử du ̣ng trong[36][37]

Trong các phương thức thiết kế Band -notched cho antenna UWB , cần phải kể đến Meander Line, Coupling Patch và Slip Ring Resonator

Meander Line cũng là da ̣ng tương đối phổ biến , patch/slot Meander Line có thể thêm vào patch bức xạ của antenna [38] hoặc ca ̣nh trên của mass [39] Xét cấu trúc Meander Line như hình sau

Hình 1.20 Cấu trúc Meander Line

Các nhánh Coupling của Meander Line tương đương với phần tử dung kháng trong khi nhánh liên kết tương đương với phần tử cảm kháng Như vậy, Meander Line có thể xem như một bộ cộng hưởng R, L, C Tùy vào việc điều chỉnh tham số sẽ có được tần số cộng hưởng mong muốn Trong thiết kế[38], hai slot Meander Line tạo

ra hai Band-Notched cho antenna tại các dải tần 3.3-3.7 GHz (WiMAX) và 5.37 GHz (low-WLAN)

Hình 1.21 a) Antenna Monopole UWB sử dụng các slot Meander Line

b) Đồ thị VSWR[38]

Mỗi slot thiết kế cho mỗi Band-notched tương ứng, có chiều dài bằng nữa bước sóng Tại tần số cộng hưởng, dòng điện tập trung ở hai đầu cuối slot Điều này được giải thích là do mỗi slot đóng vai trò như hai stub với chiều dài một phần tư bước sóng, các stub có đầu cuối ngắn mạch vì vậy biến đổi trở kháng thành hở mạch[38] Kết quả là trường điện từ không bức xạ ra ngoài không gian tại tần số notched

Hình 1.22 Mật độ dòng điện bề mặt antenna[38] tại các tần số

a) 3.5 GHz b) 5.25 GHz Trong[39], antenna được thiết kế với Meander Line nằm ở cạnh trên của mass Meander Line tác động như stub cộng hưởng, tại tần số cộng hưởng nó ngăn tín hiệu truyền qua

Hình 1.23 a) Antenna Monopole tròn với Meander Line ở cạnh trên mass[39]

b) Đồ thị VSWR Cũng là ghép điện từ, Coupling Patch sử du ̣ng các patch phụ ghép với nhau, phương thức này đươ ̣c phát triển từ cấu tr úc antenna [40] cho đến các thiết kế gần đây[41][42] Trong[42], antenna Monopole được thiết kế với Band-notched 5.075-

5.375 GHz ứng với Return Loss nhỏ hơn -5dB phù hợp với chuẩn WLAN HYPERLAN/2 (5.15-5.35 GHz)

để bao phủ hết dải này cần mở rộng về phía tần số cao Tác động của Coupling Patch được giải thích thông qua mô hình mạch cộng hưởng tương đương như sau[42]

Hình 1.25 Mạch tương đương của yếu tố Coupling Patch

trong cấu trúc antenna[42]

Từ đó antenna Monopole được mô hình mạch tương đương, mô phỏng so sánh với phân tích toàn sóng và kết quả đo đạc

Hình 1.26 Mô hình mạch tương đương của antenna Monopole UWB[42]

Hình 1.27 So sánh S11 giữa phân tích tương đương, phân tích toàn sóng cấu trúc

antenna UWB, và kết quả đo đạc[42]

Slip Ring Resonator có ưu điểm về kích thước và hê ̣ số phẩm chất Q cao nên

thường được sử du ̣ng , đă ̣c biê ̣t là Complementary Slip Ring Resonator [43][44] Trong cấu trúc antenna[43], kích thước hai slot của Slip Ring được tính bằng nữa bước sóng ứng với các tần số 3.4 GHz và 5.5 GHz, cho các Band-Notched tương ứng

Hình 1.28 a) Antenna UWB với Complementary Slip Ring Resonator

b) Đồ thị VSWR[43]

Tuy nhiên cực đại VSWR vẫn thấp hơn so với thiết kế trong[44] Slip Ring trong cấu trúc antenna[44] được đặt ở mặt phẳng mass đóng vai trò stub nữa bước sóng với đầu cuối ngắn mạch như sơ đồ phân tích định tính, cho VSWR tại Band-Notched lên đến 14

Hình 1.29 a) Antenna Circle Monopole với Slip Ring ở mặt phẳng mass[44]

b) Mạch tương đương Slip Ring c) Đồ thị VSWR Không chỉ riêng slot hoặc patch , trong[45][46] sử du ̣ng cả slot và patch để tăng cường tính chắn dải Thiết kế[46] các yếu tố hình học được sử dụng để cải tiến Band-Notched, nâng cao tính chọn lọc tần số

Hình 1.30 So sánh tính chọn lọc tần số giữa antenna[46]

và các antenna UWB khác

Hình 1.31 Antenna UWB Band-Rejection và đáp ứng S11[46]

Đáp ứng S11 trong hình trên cho thấy khi có slot hoặc patch thêm vào đều tạo được Band-Notched cho antenna UWB Song, độ chọn lọc tần số không cao, chỉ khi kết hợp cả hai mới nâng cao thuộc tính này Đồng thời các kết quả đưa ra trong[46] cũng chứng tỏ khi Band-Notched được tăng cường, các thuộc tính bức xạ của antenna vốn có vẫn không ảnh hưởng lớn

Khi xem xét về tác động giảm kích thước antenna của các yếu tố hình học, có hai công trình nghiên cứu nổi bậc[47][48] với hai phương pháp khác nhau

Antenna[47] giảm được 40% kích thước nhờ việc sử dụng slot hình vuông trên patch bức xạ và khai thác tính chất đối xứng Antenna sau khi giảm kích thước có băng tần trở kháng rộng hơn, phân cực chéo cao hơn và độ lợi giảm nhẹ về phía tần

số cao so với antenna nguyên bản

Hình 1.32 a) Antenna UWB và b) antenna UWB thu gọn kích thước

& kết quả đo đạc thực nghiệm[47]

Tuy nhiên, trong thiết kế[48], kích thước giảm đến 50% khi sử dụng các corrugation slot Ban đầu khi giảm kích thước, băng tần trở kháng antenna biến đổi mạnh, đặc biệt thu hẹp các tần số thấp Để khắc phục điều này, bốn corrugations slot đối xứng được đặt vào cạnh bên antenna

Hình 1.33 Antenna UWB và đồ thị Return Loss[48]

so sánh trước và sau khi sử dụng corrugations slot để thu gọn kích thước

Các corrugation được thiết kế với chiều dài nhỏ hơn một phần tư bước sóng tại tần

số cực tiểu (3.1 GHz) điều này làm cho slot tương đương cuộn cảm và tăng chiều dài điện của cấu trúc Cụ thể trong thiết kế này chiều dài slot được chọn bằng một nữa bước sóng tại tần số cao nằm ngoài khoảng băng tần UWB (tại 11 GHz) Các thông số khác của antenna không thay đổi đáng kể

Như vậy, từ các công trình nghiên cứu thiết kế gần đây, có thể thấy tác động của patch/slot không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn phụ thuộc vào vị trí tương đối của chúng trong cấu trúc antenna Các yếu tố đóng vai trò bộ cộng hưởng phụ, làm phân bố lại mật độ dòng điện trong cấu trúc antenna, thay đổi trở kháng vào, hệ

Từ công thức trên, rút ra được mối quan hệ cơ bản giữa dòng điện và điện tích với bức xạ điện từ, phát biểu như sau: để bức xạ xảy ra cần có dòng điện biến thiên theo thời gian hoặc điện tích được gia/giảm tốc[7]:

1 Nếu điện tích không chuyển động, không sinh ra dòng điện thì không có bức xạ

2 Nếu điện tích chuyển động với vận tốc không đổi thì

 Không có bức xạ nếu dây dẫn thẳng và kéo dài ra vô tận

 Có bức xạ nếu dây dẫn bị uốn cong, bẻ gập, không liên tục, nối tải…

3 Nếu điện tích giao động theo thời gian, bức xạ sẽ xảy ra thậm chí khi dây dẫn thẳng

Các kết luận trên tạo tiền đề cho việc nghiên cứu bức xạ điện từ trong cấu trúc antenna Nói cách khác đặc tính antenna có quan hệ mật thiết đến mật độ phân bố dòng điện trên bề mặt vật dẫn

Trong nghiên cứu[8], khi quan sát phân bố mật độ dòng điện trên bề mặt antenna Planar Monopole, thông qua phân tích toàn sóng, kết luận được rút ra là mật độ dòng điện chia làm hai thành phần: thành phần ngang và thành phần dọc (dọc theo trục antenna) Trong đó, thành phần ngang tập trung chủ yếu ở cạnh dưới antenna, gần mặt phẳng đất, không đóng góp nhiều vào sự bức xạ antenna Thành phần dọc tập trung chủ yếu ở điểm cấp nguồn và hai cạnh dọc antenna, thành phần này mới trực tiếp gây ra bức xạ

Hình 1.34 Phân bố mật độ dòng điện antenna Planar Monopole[8]

Từ đó mô hình antenna Planar Monopole dựa trên đặc tính đường truyền sóng được đưa ra như sau

Hình 1.35 Mô hình đường truyền sóng của antenna Planar Monopole[8]

Trong đó, 2x là kích thước cạnh đáy của antenna, Zo là trở kháng đặc tính của đường truyền và Zl là trở kháng bức xạ antenna

Từ mô hình đưa ra, các nghiên cứu trong[8] tập trung vào phân tích, tác động Zo để

mở rộng băng tần cho antenna Planar Monopole theo chuẩn UWB

Cũng phân tích mật độ phân bố dòng điện trong antenna UWB, nghiên cứu[9] sử dụng phương pháp phân tích Current Mode xuất phát từ lý thuyết Characteristic Modes[10] Mật độ dòng điện được phân tích thành các mode đặc trưng, các mode này phụ thuộc vào cấu trúc antenna không phụ thuộc vào tín hiệu cấp nguồn

Hình 1.36 Phân bố mật độ dòng điện tại tần số 6GHz theo các

Charateristic Mode của mặt đĩa tròn trong không gian[9]

Các mode có các tần số cộng hưởng khác nhau Mỗi mode có các vị trí null, mode càng cao vị trí null càng nhiều Bằng cách thay đổi vị trí cấp nguồn tín hiệu đến các null của mode không mong muốn, có thể thay đổi các tần số cộng hưởng từ đó điều chỉnh đặc tính antenna[9]

Do các mode phân bố dòng điện chỉ phụ thuộc vào cấu trúc antenna nên việc lựa chọn điều chỉnh cấu trúc bức xạ sẽ tác động, phân bố lại các mode này từ đó thuộc tính antenna thay đổi

Như vậy để tác động đến đặc tính bức xạ của antenna cần tác động vào mật độ phân

bố dòng điện, việc tác động này sẽ làm thay đổi các mode phân bố đặc tính

Đứng ở góc nhìn mạch tương đương, việc tác động của yếu tố hình học lên đặc tính của antenna có thể được tiếp cận theo mô hình phân tích định tính đề ra trong[11]

Hình 1.37 Mô hình tương đương antenna[11]

Trong mô hình trên, yếu tố hình học đóng vai trò là bộ cộng hưởng phản xạ lại toàn

bộ cộng suất tại tần số cộng hưởng của nó (fn1, fn2), tại các tần số khác công suất truyền qua và bức xạ ra môi trường

Từ các hướng tiếp cận trên đề tài đề ra phương pháp nghiên cứu

1.4.2 Phương pháp

Phương pháp nghiên cứu khảo sát được tiến hành theo sơ đồ bên dưới

Hình 1.38 Tiến trình nghiên cứu

Phương pháp tiến hành bắt đầu bằng việc thiết kế các mẫu antenna có băng tần hoạt động phù hợp chuẩn UWB Các yếu tố hình học sẽ được đưa vào cấu trúc các mẫu antenna, bằng cách tham số hóa vị trí và kích thước các yếu tố này, kết quả phân

Đưa các yếu tố

hình học vào cấu

trúc antenna

Rút ra quan hệ giữa tham số với đặc tính antenna Tổng hợp kết quả