Thiết kế, tối ưu anten uwb đo kiểm, đánh giá kết quả bằng thực nghiệm

Vì thế, mối quan tâm đến mức độ sẵn sàng của băng thông có giới hạn, đáp ứng được nhu cầu về dung lượng và tốc độ cao hơn là một nhiệm vụ được đặt ra, đòi hỏi các công nghệ mới để có thế

ĐẶNG VĂN HOÀNG THÔNG

THIẾT KẾ, TỐI ƯU ANTEN UWB - ĐO KIỂM, ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ BẰNG THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2011

Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm … 20…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:……… Phái: ………

Ngày, tháng, năm sinh:……… Nơi sinh:………

Chuyên ngành:………MSHV:………

I-TÊN ĐỀ TÀI : ………

………

………

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ………

………

………

………

………

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phan Hồng Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia

Tp.Hồ Chí Minh ngày 12 tháng 7 năm 2011

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Phạm Hồng Liên

2 TS Đỗ Hồng Tuấn

3 TS Phan Hồng Phương

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được gửi lời cám ơn đến sự quan tâm của bạn bè, người thân, thầy cô trong khoảng thời gian học tập vừa qua Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự hướng dẫn thực hiện luận văn của cô Phan Hồng Phương Xin cám ơn cơ quan tôi đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia học tập nâng cao tại trường Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nội dung luận văn:

 Trình bày tổng quan công nghệ UWB

 Giới thiệu các công trình nghiên cứu khoa học có liên quan đến đề tài

 Thiết kế anten dựa trên yêu cầu tối thiểu về băng thông UWB, về kích thước anten và vật liệu thi công anten

 Tối ưu anten dựa trên yêu cầu tăng băng thông, đa băng tần UWB, hạn chế giao thoa với WiFi

 Đo kiểm tra một mẫu anten thiết kế cho thi công để đánh giá sự khác biệt kết quả giữa thiết kế và thực tế

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU - 1 -

1.1 Giới thiệu tổng quan - 1 -

1.2 Định nghĩa - 2 -

1.3 Tín hiệu UWB - 2 -

1.4 Các ưu điểm: - 7 -

1.5 Các ứng dụng thực tế: - 8 -

1.6 L ý do chọn đề tài - 9 -

1.7 Mục tiêu và ý nghĩa đề tài - 10 -

1.8 Đối tượng nghiên cứu: - 11 -

2 TỔNG QUAN - 11 -

2.1 Các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài: - 11 -

2.2 Những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu giải quyết: - 22 -

3 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT - 22 -

3.1 Cơ chế bức xạ [1] - 22 -

3.2 Phân tích biểu diễn các bài toán bức xạ bằng máy tính - 26 -

3.3 Giới thiệu anten vi dải: - 26 -

4 TRÌNH BÀY, ĐÁNH GIÁ, BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ - 30 -

4.1 Thiết kế tối ưu anten UWB - 31 -

4.2 Đo kiểm đánh giá kết quả bằng thực nghiệm - 42 -

5 KẾT LUẬN - 47 -

6 HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 47 -

7 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 -PHỤ LỤC

ĐỒ THỊ

Đồ thị 4-1: Khảo sát ảnh hưởng của độ cao G đến S11 - 33 -

Đồ thị 4-2: Đáp ứng anten với các thông số ban đầu - 34 -

Đồ thị 4-3: Đáp ứng anten với Wl - 35 -

Đồ thị 4-4: Đáp ứng anten “làm tròn” 2 góc vuông - 36 -

Đồ thị 4-5: Đáp ứng anten với Rl - 37 -

Đồ thị 4-6: Đáp ứng anten với Rr - 37 -

Đồ thị 4-7: Đáp ứng anten với X - 38 -

Đồ thị 4-8: Đáp ứng anten với L2 - 39 -

Đồ thị 4-9: Đáp ứng anten kết quả thiết kế - 41 -

Đồ thị 4-10: Tín hiệu vào, ra anten; màu đỏ: tín hiệu vào; màu xanh tín hiệu ra- 42 - Đồ thị 4-11: Đáp ứng anten mô phỏng được thiết kế để thử nghiệm - 45 -

Đồ thị 4-12: Kết quả đo thông số S11 - 46 -

Đồ thị 4-13: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm - 46 -

HÌNH Hình 1-1: Định nghĩa tín hiệu UWB [9] - 3 -

Hình 1-2: Cạnh nhọn tín hiệu tạo tín hiệu UWB [9] - 3 -

Hình 1-3: Ngõ ra mạch logic phát tín hiệu UWB, sau đó được lọc để có băng tần mong muốn [9] - 4 -

Hình 1-4: Biểu diễn miền thời gian và miền tần số của một xung thông qua biến đổi Fourier [9] - 5 -

Hình 1-5: Tín hiệu càng trơn trong miền thời gian càng có ít năng lượng bên ngoài tần số mong muốn [9] - 5 -

Hình 1-6: Các tín hiệu khác nhau trong miền thời gian có cùng băng thông, nhưng ít năng lượng bên ngoài hơn [9] - 6 -

Hình 1-7: Xung gauss băng gốc và phổ tần của nó [9] - 6 -

Hình 1-8: Xung Gauss được điều biến dịch tần bằng hàm cos và phổ tần số của nó [9] - 7 -

Hình 1-9: Xung Gauss tín hiệu UWB trong chương trình mô phỏng - 7 -

Hình 1-10: So sánh tốc độ bit phụ thuộc khoảng cách của các kỹ thuật vô tuyến

(nguồn:www.intel.com) - 8 -

Hình 2-1: Cấu trúc anten UWB [2] - 12 -

Hình 2-2: Đáp ứng anten theo thiết kế và theo đo kiểm [2] - 12 -

Hình 2-3: Phân bố dòng điện trên anten [2] - 13 -

Hình 2-4: Cấu trúc DR chữ nhật trên cạnh mặt phẳng đất thẳng đứng: (a) mặt sau, (b) isomitric (c) mặt trước (d) cạnh [8] - 14 -

Hình 2-5: DR dạng chữ A được đặt trên cạnh mặt phẳng đất: (a) mặt trước (b) mặt nghiêng [8] - 15 -

Hình 2-6:Hệ số phản xạ DRA hình chữ nhật và hệ số phản xạ DRA hình chữ A [8] - 15 - Hình 2-7:Hệ số phản xạ DRA hình chữ A mô phỏng và đo kiểm [8] - 15 -

Hình 2-8: Hình dạng anten đơn cực phẳng xiên góc (L=19 mm và h0=0.2 mm) và hệ số phản xạ ở ngõ vào [6] - 17 -

Hình 2-9: Hình dạng của an anten đơn cực phẳng vuông xiên góc với khe cộng hưởng ( L= 19 mm, l1=10 mm, l2=8 mm, t= 1 mm, hs=4 mm, h0=0.2 mm) [6] - 17 -

Hình 2-10:Hệ số phản xạ của anten quan sát được đáp ứng băng tần lõm [6] - 18 -

Hình 2-11: Hình dạng anten đơn cực phẳng vuông xiên góc với vòng gần vuông nhúng trong bề mặt mặt phẳng anten (L=19mm; l1=l2=8mm; t=2 mm; =200) [6] -

18 - Hình 2-12: Hình dạng anten đơn cực phẳng UWB với vòng khe vuông có PIN diode, và mạch RF-DC (L=19 mm, h0=0.2 mm, =230, Ls=10.2 mm, Ws=9.2 mm, ls=3.5 mm, l1=5.1 mm, l2=0.3 mm) Phần màu xám tương ứng với mặt sau của anten [6] - 19 -

Hình 2-13: VSWR được mô phỏng cho cấu trúc trong hình vẽ 12 (đường cong đậm) và cho cùng anten không có dải ở đỉnh của khe (đường chấm) [6] - 19 -

Hình 2-14: (a) Hình dạng mạch vi dải phân cách RF-DC (b) Các thông số S được mô phỏng bằng CST (cấu trúc đối xứng) [6] - 20 -

Hình 2-15: Hình dạng anten đơn cực phẳng band-notched có khe gắn điện kháng

biến thiên [6] - 20 -

Hình 2-16: Hình dạng của anten đơn cực lai ghép: (a) thiết kế toàn băng tần; (b) thiết kế có chức năng band-notched, đơn vị kích thước (mm) [3] - 21 -

Hình 2-17: So sánh kết quả mô phỏng (Lg=9mm) và các kết quả đo anten với Lg khácnhau (M=30 deg, B1m=5.5 mm, g=1.5 mm, r=0.48, w=1.875 mm, h=1 mm) [3] - 22 -

Hình 3-1: Phân bố điện tích đều trong mặt cắt dọc dây hình trụ [1] - 23 -

Hình 3-2: Cấu trúc một Anten vi dải [1] - 27 -

Hình 3-3: Phương pháp cấp nguồn đồng trục [1] - 29 -

Hình 3-4: Phương pháp cấp nguồn ghép khe [1] - 30 -

Hình 3-5: Phương pháp cấp nguồn ghép gần [1] - 30 -

Hình 3-6: Phương pháp cấp nguồn vi dải [1] - 30 -

Hình 4-1: Cấu trúc một Anten vi dải - 32 -

Hình 4-2: Cấu trúc anten “làm tròn” 2 góc vuông - 36 -

Hình 4-3:Cấu trúc anten đang thực hiện “tối ưu” - 38 -

Hình 4-4: Bản vẽ thiết kế anten kết quả - 40 -

Hình 4-5: Trình tự vẽ anten sau khi đã có bản thiết kế - 41 -

Hình 4-6: Mặt trước anten thi công - 44 -

Hình 4-7: Mặt sau anten thi công - 45 -

BẢNG BIỂU Bảng 4-1: Các thông số anten được xác định ban đầu - 34 -

Bảng 4-2:Các thông số anten tối ưu - 40 -

Bảng 4-3: Các thông số anten thiết kế dùng để đo kiểm - 44 -

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DVD Digital Video Disc

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MEMS MEmbrane Microelectromechanical Systems

MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit,

US FCC United States Federal Communication Commission

1 MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu tổng quan

Sóng vô tuyến băng thông cực rộng UWB đã trở nên phổ biến khắp thế giới nhờ vào ưu thế triển vọng trong việc tạo ra tốc độ xung cao với mức công suất thấp Sự quan tâm đến UWB đã dẫn đến việc thành lập nhóm nghiên cứu IEEE 802.15.3a vào năm 2001, nhằm mục đích thực hiện chuẩn mạng không dây mới dựa vào khả năng UWB có tốc độ vật l ý lên đến nhiều Gbps Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển UWB được tập trung chuyên sâu hơn sau phiên bản tiêu chuẩn UWB ban hành đầu tiên bởi US FCC vào tháng 2 năm 2002 Phiên bản chính thức này đã mở

ra hướng đi để phát triển các sản phẩm UWB thương mại Các giới hạn nghiêm ngặt

về công suất phát UWB được quy định bởi FCC đã xác định các ứng dụng phù hợp trong tương lai đó là truyền tín hiệu bằng UWB với tốc độ bit cao ở tầm ngắn: IEEE 802.15.3aTG, hoặc với tốc độ bit ngắn ở tầm trung và tầm xa: IEEE 802.15.4aTG

Các hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển một cách căn bản qua hai thập kỷ nay Sự phát triển bùng nổ của thị trường thông tin vô tuyến được đánh giá là sẽ còn tiếp tục trong tương lai do nhu cầu nhiều dạng dịch vụ vô tuyến đang gia tăng Các

hệ thống vô tuyến di động hướng đến việc cung cấp tốc độ dữ liệu linh hoạt và hỗ trợ nhiều dạng dịch vụ di động phục vụ cho càng nhiều người càng tốt Tuy nhiên, mục tiêu này chỉ đạt được dưới sự ràng buộc các tài nguyên bị giới hạn như phổ và công suất Khi càng nhiều thiết bị không dây, các công nghệ trong tương lai sẽ đối mặt với sự chật chội phổ tần, và sự hiện diện cùng lúc, cùng nơi của nhiều thiết bị không dây sẽ là vấn đề khó khăn Vì thế, mối quan tâm đến mức độ sẵn sàng của băng thông có giới hạn, đáp ứng được nhu cầu về dung lượng và tốc độ cao hơn là một nhiệm vụ được đặt ra, đòi hỏi các công nghệ mới để có thế cùng duy trì nhiều thiết bị hoạt động ở các băng tần khác nhau

UWB là một hệ thống dưới chuẩn hay là hệ thống chia sẻ, không cấp phép, cùng tồn tại với các hệ thống băng hẹp cấp phép và không cấp phép khác Công suất phát của các thiết bị UWB được kiểm soát bởi các cơ quan điều độ như FCC ở Mỹ, để các hệ thống băng hẹp bị các tín hiệu UWB tác động ở mức bỏ qua vì thế các hệ thống công nghệ UWB được cho phép cùng tồn tại với các công nghệ khác dưới các ràng buộc nghiêm ngặt về công suất Mặc dù vậy, UWB đã cho nhiều giải pháp đáng quan tâm trong thông tin vô tuyến, bao gồm các mạng cá nhân không dây, đo

từ xa, trị bệnh từ xa, và các mạng cảm biến không dây Với băng thông rộng, UWB

có khả năng cung cấp dung lượng cao hơn nhiều các hệ thống băng hẹp hiện tại với các ứng dụng ở cự ly ngắn

1.2 Định nghĩa

Anten là phương tiện để bức xạ (anten phát) hoặc hấp thu (anten thu) năng lượng trường điện từ

Sóng vô tuyến UWB là sóng vô tuyến truyền tín hiệu có băng thông tối thiểu

500 MHz trong băng tần số từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz nằm trong băng tần số siêu cao SHF

1.3 Tín hiệu UWB

Các bộ phát tín hiệu UWB phải được thiết kế để đảm bảo băng thông bức xạ 20

dB nằm trong băng tần UWB Băng thông tối thiểu ở điểm 10 dB dưới mức bức xạ đỉnh là 500 MHz Mức bức xạ cho phép đối với tín hiệu UWB trong băng tần UWB

là -41.3 dBm/MHz

Hình 1-1 : Định nghĩa tín hiệu UWB [9]

1.3.1 Tạo tín hiệu UWB

Tín hiệu UWB được thiết kế bằng cách sử dụng các tính chất biểu diễn hình học của chúng theo hàm thời gian Thực hiện biến đổi Fourier tín hiệu UWB trong miền thời gian ta được phổ tần số của nó Ta định nghĩa tín hiệu UWB trong miền tần số và dùng biến đổi Fourier để xác định các tính chất mong muốn trong miền thời gian Một cách để phát tín hiệu UWB là phát tín hiệu có chuyển tiếp rất đột ngột theo thời gian, giống như hàm bước, hoặc phát dạng xung vuông rất hẹp kết hợp với một bộ lọc định dạng băng tần Tín hiệu chuyển tiếp đột ngột và các xung cực hẹp là các nguồn năng lượng có băng tần cực rộng, được định dạng lại bằng các bộ lọc thông dải

Hình 1-2 : Cạnh nhọn tín hiệu tạo tín hiệu UWB [9]

Hình 1-3 : Ngõ ra mạch logic phát tín hiệu UWB, sau đó được lọc để có băng tần mong muốn [9]

Cấp xung nhọn cho ngõ vào của bộ lọc thông dải là cách đơn giản hiệu quả để tạo ra tín hiệu UWB Cách này phù hợp với một số loại hệ thống nhất định, tuy nhiên phương pháp này không tạo ra tín hiệu có hình dạng và vị trí năng lượng tín hiệu chính xác trong phổ tần số

1.3.2 Tạo tín hiệu UWB chính xác:

Một phương pháp khác có thể tạo ra tín hiệu UWB với độ chính xác ở cả dạng tín hiệu và vị trí của nó trong phổ tần số là tín hiệu được định dạng ở băng gốc và sau đó được dịch trong miền tần số đến vị trí mong muốn trong phổ tần số do định dạng băng tần số thực hiện dễ dàng hơn ở băng gốc so với các tần số sóng vô tuyến cao hơn Trước tiên chọn một tín hiệu thỏa mãn về băng thông như tín hiệu dạng hình chữ nhật trong miền thời gian Xung hình chữ nhật r(t) có trung tâm ở t=0 và

có độ rộng T pico giây:

r(t)=1, {-T/2<t<T/2};

Biến đổi Fourier của r(t) cho R(f) trong miền tần số

sin( ) ( ) T Tf

Hình 1-4 : Biểu diễn miền thời gian và miền tần số của một xung thông qua biến đổi Fourier [9]

Tín hiệu càng hẹp trong miền thời gian thì miền tần số càng rộng hơn Trong hình vẽ, xung vuông tạo ra tín hiệu trong miền tần số có búp chính nằm trong khoảng f=-1/T và f=1/T, nhưng cũng có các búp phụ mang năng lượng đáng kể bên ngoài búp chính có thể vượt mức cho phép Vì thế, cần hạ thấp độ lớn của các búp phụ Một đặc tính đáng quan tâm của tín hiệu là tín hiệu có cạnh lên và cạnh xuống càng trơn trong miền thời gian thì mức năng lượng trong miền tần số ở các búp phụ càng thấp Vì thế, bằng cách định dạng các cạnh của tín hiệu trong miền thời gian,

ta có thể điều khiển năng lượng chứa trong phổ của búp sóng phụ Xét chi tiết 3 dạng xung:

Hình 1-5: Tín hiệu càng trơn trong miền thời gian càng có ít năng lượng bên ngoài tần số mong muốn [9]

Hình 1-6 : Các tín hiệu khác nhau trong miền thời gian có cùng băng thông, nhưng ít năng lượng bên ngoài hơn [9]

Các búp chính nằm giữa các điểm 10 dB gần như giống nhau, nhưng cấu trúc búp phụ thì hoàn toàn khác nhau Rõ ràng, xung thời gian có cạnh càng nhọn thì có búp phụ càng lớn Cần xác định dạng xung có phổ càng gần hơn với mặt nạ bức xạ

sẽ chứa nhiều năng lượng hơn và phù hợp cho các hệ thống UWB như từ hình vẽ ta thấy là dạng xung Gauss được điều biến ở tần số thích hợp bằng hàm số cosin

Hình 1-7: Xung gauss băng gốc và phổ tần của nó [9]

Hình 1-8: Xung Gauss được điều biến dịch tần bằng hàm cos và phổ tần số của

nó [9]

Hình 1-9: Xung Gauss tín hiệu UWB trong chương trình mô phỏng

1.4 Các ưu điểm:

Các hệ thống UWB có nhiều lợi ích như việc sử dụng không cấp phép phổ tần

số băng cực rộng, tăng mạnh mẽ hiệu suất phổ tần và mở ra các hướng đi mới cho các ứng dụng không dây

UWB cung cấp khả năng sử dụng phổ tần với độ linh động cao Các hệ thống này được đặc tuyến hóa bởi nhiều thông số cho phép thiết kế các bộ thu phát thích nghi và có thể được dùng để tối ưu hóa năng lực hệ thống đáp ứng các yêu cầu về tốc độ dữ liệu, khoảng cách, công suất, chất lượng dịch vụ và yêu cầu của người dùng Kỹ thuật UWB cung cấp tốc độ dữ liệu cao hàng Gbps qua tầm ngắn nhỏ hơn

1 mét, 500 Mbps với khoảng cách nhỏ hơn 10 mét Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu có thể được cải thiện sự đánh đổi với sự gia tăng cự ly bằng việc thiết kế các bộ thu phát thích nghi phù hợp Tương tự, tốc độ dữ liệu và khoảng cách có thể đánh đổi với công suất, đặc biệt cho các ứng dụng khoảng cách gần và tốc độ dữ liệu thấp Quan trọng nữa là: cùng một thiết bị có thể được thiết kế để cung cấp dịch vụ cho nhiều ứng dụng với các yêu cầu khác nhau mà không cần bổ sung thêm phần cứng

Hình 1-10: So sánh tốc độ bit phụ thuộc khoảng cách của các kỹ thuật vô tuyến (nguồn:www.intel.com)

Độ phân giải cao về thời gian của tín hiệu UWB tạo khả năng chống fading đa đường Do tín hiệu UWB trải qua tầm tần số rất rộng, suy hao xuyên vật liệu khá thấp Hơn nữa, nhiều thành phần đa đường có thể được quan sát ở bộ thu, vì thế hệ thống có khả năng thu hút năng lượng tốt Ví dụ, các bộ thu dò tìm có thể thực hiện khóa các dội đa đường, chọc lọc năng lượng, và vì thế cải thiện năng lực hệ thống

Độ phân giải cao về thời gian là thuận lợi khác của tín hiệu UWB cho nhiều ứng dụng Một thuận lợi khác của UWB là công suất phát thấp và chống nghe trộm tốt

do tín hiệu UWB giống như nhiễu

1.5 Các ứng dụng thực tế:

Băng thông cực rộng ở tần số siêu cao nên có khả năng đi xuyên qua nhiều vật liệu, cho phép UWB được sử dụng trong các hệ thống vẽ ảnh radar, bao gồm các radar xuyên qua đất GPR dùng phát hiện các lỗ hổng dưới mặt đất, dò bom đạn, vẽ ảnh xuyên tường, các hệ thống giám sát, vẽ ảnh y tế Các ảnh bên trong hoặc phía sau các đối tượng bị che chắn có thể đạt được với độ phân giải cao bằng cách sử dụng UWB

Khả năng định tầm của UWB là đặc tính đáng chú ý cho các ứng dụng nhận biết

vị trí, đặc biệt trong các mạng cảm biến và mạng không cấu trúc và khả năng cung cấp chức năng định vị ở mạng dữ liệu tốc độ thấp gần đây đã trở thành mục tiêu chính của IEEE 802.15.4aTG Với độ phân giải cao về thời gian và khả năng định tầm chính xác của UWB có thể được dùng cho các hệ thống radar trong xe cộ để tránh va chạm, hướng dẫn đậu xe Khả năng định vị của các hệ thống UWB là các ứng dụng khác mà gần đây đã nhận được nhiều quan tâm như theo dõi nhân sự chẳng hạn như bệnh nhân, quân nhân

Ngoài ra là các ứng dụng thông tin vô tuyến, UWB đã trở nên là một phần của thế giới không dây, bao gồm mạng không dây trong nhà, chuột máy tính không dây, bàn phím, loa không dây, USB không dây, đo không dây từ xa, điều trị từ xa, trung chuyển tín hiệu từ trạm đến trạm ở khoảng cách trung bình 10m Các ứng dụng văn phòng như: thay thế dây dẫn từ máy ghi hình và đầu DVD đến máy tính và tivi độ phân giải cao, máy MP3 cầm tay có thể đẩy luồng dữ liệu bằng vô tuyến đến tất cả các loa trong phòng, máy tính xách tay có thể kết nối không dây đến máy chiếu trong phòng hội nghị khi thuyết trình, các bức ảnh số có thể được chuyển tức thời không cần dây cáp đến quầy in ảnh, một nhân viên khi đặt máy xách tay lên bàn thì được kết nối nhanh chóng đến máy in, máy scan, tai nghe VoIP

1.6 L ý do chọn đề tài

Các ưu thế và khả năng phát triển của UWB là rõ ràng, do đó việc tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu, phát triển rộng rãi các ứng dụng công nghệ UWB là cần thiết Trong các ứng dụng UWB thì chất lượng của anten thu phát sóng vô tuyến tín hiệu UWB đóng vai trò quan trọng đến hoạt động của ứng dụng đó Học viên mong đề tài như là một sự đóng góp để có thể xem xét và đánh giá rút kinh nghiệm bởi cộng đồng UWB

Một trong những thách thức trong việc thực hiện các hệ thống UWB là việc chế tạo một anten phù hợp tối ưu Đáp ứng của anten phải phủ hoàn toàn băng thông hoạt động Đáp ứng hoặc đặc tính kỹ thuật của anten thay đổi theo các yêu cầu của

từng hệ thống Thông thường, suy hao phản xạ phải nhỏ hơn -10 dB hoặc hệ số sóng đứng nhỏ hơn 2:1

Các thiết bị được sử dụng trong các kết nối không dây tốc độ cao và tầm ngắn cần có tính di động cao Việc thiết kế phần tử anten trong mạch thu phát ngoài việc phải đáp ứng yêu cầu về tần số hoạt động còn phải có chi phí thấp, hình dáng gọn và cấu trúc đơn giản

Trong những năm gần đây, việc sử dụng các anten UWB băng rộng đơn cực phẳng đã trở nên rộng rãi Các anten này hoạt động thích hợp trong các hệ thống UWB, do chúng bao phủ tầm tần số yêu cầu từ 3.1 đến 10.6 GHz, có kích thước nhỏ

và nhẹ để lắp vào các thiết bị vô tuyến xách tay hoặc được tích hợp với các mạch

RF khác Hơn nữa, dạng anten này tuân thủ thỏa mãn với yêu cầu miền tần số của các hệ thống UWB Tuy nhiên, một vài băng tần ở các công nghệ băng hẹp đã được cấp phát trong tầm tần số UWB, như WLAN ở tần số 5.2 GHz, 5150 GHz-5350 MHz và 5.8 GHz, 5725-5825 MHz, có khả năng giao thoa với hệ thống UWB Do

đó, việc tạo ra anten có đặc tính băng tần loại bỏ để làm giảm giao thoa không mong muốn từ các hệ thống WLAN đã và đang được thực hiện

1.7 Mục tiêu và ý nghĩa đề tài

Đặt mối quan tâm và cùng tham gia vào cộng đồng phát triển công nghệ UWB, góp phần vào các nỗ lực nghiên cứu, chế tạo các sản phẩm công nghệ thông tin tiên tiến

Cơ hội được học hỏi, nghiên cứu và tiếp cận công nghệ UWB tiềm năng

Khảo sát đáp ứng tần số theo cấu trúc hình học của mạch anten vi dải 1.8 Đối tượng nghiên cứu:

Anten vi dải UWB có băng thông -10 dB từ 3.1 đến 10.6 GHz có khả năng lọc loại

bỏ băng tần WLAN tần số 5.2 GHz, 5150 GHz-5350 MHz và 5.8 GHz, 5725-5825 MHz

2 TỔNG QUAN

2.1 Các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài:

2.1.1 Công trình 1:

Bản thiết kế, phân tích anten UWB của tác giả Zhi Ning Chen và Tarence S.P.See,

Viện nghiên cứu thông tin-Singapore trong quyển sách “Antenna for portable

devices” [2]

Anten hình chữ nhật có đáp ứng phủ băng tần UWB Khe hình chữ nhật wsxls được khắc vào PCB có các thông số εr=3.38 và độ dầy h=1.52 mm, 2 góc xiên để tăng phối hợp trở kháng ở tần số cao Khe trống g và vị trí đểm cấp nguồn d có tác động đến phối hợp trở kháng Chiều dài của mặt phẳng đất lg được tối ưu để đạt phối hợp trở kháng tốt nhằm tối ưu kích thước

Các kích thước được tối ưu là wsxls=4 mmx12mm, wrsxlrs=2mmx6mm, d=6mm,

ds=4mm, g=1mm, và lg=9mm, dải dẫn rộng w=3.5mm

Hình 2-1: Cấu trúc anten UWB [2]

Hình 2-2: Đáp ứng anten theo thiết kế và theo đo kiểm [2]

Hình vẽ cho thấy kết quả suy hao phản xạ khá giống nhau giữa mô phỏng và đo kiểm Băng thông đo được phủ băng tần từ 2.95 đến 11.6 GHz

Hình 2-3: Phân bố dòng điện trên anten [2]

Hình vẽ so sánh kết quả mô phỏng phân tích phân bố dòng trên anten khi có và khi không có khe hình chữ nhật ở tần số 3 GHz Phần lớn dòng điện tập trung quanh khe hình chữ nhật ở phần bên phải của miền bức xạ Các dòng điện phần bên trái của miền bức xạ thì rất nhỏ Điều này chứng tỏ rằng khe hình chữ nhật đã có tác động lớn vào đáp ứng của anten ở miền tần số thấp hơn Phối hợp trở kháng ở 3 GHz bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi kích thước khe hẹp hơn là hình dạng và kích thước của mặt phẳng đất Bằng cách so sánh tương tự, dòng điện 3 GHz ở anten không có khe hình chữ nhật tập trung chủ yếu quanh phần dải cấp nguồn vì thế mặt phẳng đất có tác động lớn đến đáp ứng của anten Do đó, đáp ứng của anten có khe hình chữ nhật có ưu điểm là làm giảm ảnh hưởng của mặt phẳng đất

Đáp ứng của anten bị ảnh hưởng chủ yếu bởi các thông số điện và hình học như các kích thước của cấu trúc anten, và hằng số điện môi của đế

Nhận xét:kích thước anten lớn, cấu trúc anten khá phức tạp

Hình 2-4: Cấu trúc DR chữ nhật trên cạnh mặt phẳng đất thẳng đứng: (a) mặt sau, (b) isomitric (c) mặt trước (d) cạnh [8]

Các thông số hình học: WS=30mm, WD=14mm, LS=19mm, LD=18.3mm,

Lg=11mm, FL1=14mm, FL2=14.2mm, FW1=1.9 mm, FW2=1 mm, T1=5.08mm,

T2=0.762 mm, T3=2.159 mm, g=0.7 mm

Các thông số điện: εDRA=10.2, εsubstrate=2.94

Một phiên bản khác điều chỉnh từ từ anten cộng hưởng điện môi hình chữ nhật bằng cách khoét 2 mảnh điện môi để có bộ cộng hưởng có dạnh hình học là chữ A, cho băng thông phối hợp trở kháng rộng hơn và anten nhẹ hơn

Hình 2-5: DR dạng chữ A được đặt trên cạnh mặt phẳng đất: (a) mặt trước (b) mặt nghiêng [8]

Hình 2-6:Hệ số phản xạ DRA hình chữ nhật và hệ số phản xạ DRA hình chữ A [8]

Hình 2-7:Hệ số phản xạ DRA hình chữ A mô phỏng và đo kiểm [8]

Nhận xét: kích thước hình học anten lớn, cấu trúc phức tạp, có nhiều tần số cộng

hưởng, không loại bỏ các tần số Wi-Fi

2.1.3 Công trình 3:

Bản thiết kế, phân tích anten UWB của các tác giả Eva Antonio-Daviu, Marta Cabedo-Fabres, Miguel Ferrando-Bataller và Vicent Miquel Rodrigo Penarrocha [6]

Bài báo thực hiện phân tích các mode đặc tính, mỗi mode đặc tính ứng với một tần số khác nhau của anten UWB đơn cực phẳng có và không có các bộ cộng hưởng, sử dụng anten có dạng hình vuông xiên góc

Thực hiện chứng minh rằng đáp ứng băng tần lõm được tạo ra bởi khe cộng hưởng, và cường độ của băng tần loại bỏ phụ thuộc vào mức độ phân bố dòng bị ảnh hưởng của các mode anten khác nhau Mode có dòng nhỏ ở vị trí của khe sẽ không bị khe tác động nhiều, trong khi đó mode có cường độ dòng lớn sẽ bị ảnh hưởng nhiều Vì thế, phân bố dòng của các mode được kích thích trong anten càng

bị ảnh hưởng, thì băng tần loại bỏ càng mạnh

Tùy thuộc vào việc có tồn tại tín hiệu giao thoa trong môi trường hoạt động của anten hay không, chức năng lọc của anten có thể được mở hay đóng bằng điện tử Thực hiện chứng minh rằng có thể sử dụng tải tác động vào khe để điều khiển tần số cộng hưởng Khi gắn thêm tụ biến thiên vào khe sẽ điều khiển được mode cộng hưởng, tạo nên anten UWB có đáp ứng băng tần lõm có thể điều chỉnh được.Trong trường hợp quá trình sản xuất anten không chính xác hoặc có giao thoa không mong muốn, bộ lọc băng tần lõm của anten có thể điều chỉnh đến tần số mong muốn

Hình 2-8: Hình dạng anten đơn cực phẳng xiên góc (L=19 mm và h 0 =0.2 mm)

và hệ số phản xạ ở ngõ vào [6]

Hình 2-9: Hình dạng của an anten đơn cực phẳng vuông xiên góc với khe cộng hưởng ( L= 19 mm, l 1 =10 mm, l 2 =8 mm, t= 1 mm, h s =4 mm, h 0 =0.2 mm) [6]

Hình 2-10:Hệ số phản xạ của anten quan sát được đáp ứng băng tần lõm [6]

Hình 2-11: Hình dạng anten đơn cực phẳng vuông xiên góc với vòng gần vuông nhúng trong bề mặt mặt phẳng anten (L=19mm; l 1 =l 2 =8mm; t=2 mm; =20 0 ) [6]

Do sự hiện hữu của các hệ thống gây giao thoa phụ thuộc vào môi trường anten, hàm lọc tạo bởi anten UWB với đáp ứng band-notched cố định không cần thiết trong một số trường hợp, tùy thuộc vào sự hiện diện của giao thoa từ các hệ thống khác, đặc tính lọc của anten có thể được kích hoạt theo mong muốn Điều khiển điện tử kích thích mode khe hoạt động có thể được thực hiện bằng các thiết bị chuyển mạch RF điều khiển luồng dòng đến phần trong của khe Vì thế, khả năng lọc của anten có thể được điều khiển bằng cách làm cho đáp ứng band-notched có thể đóng mở được

Điều khiển tắt hoặc mở khe cộng hưởng bằng công tắt, về nguyên tắc, công tắt

có thể được thực hiện bằng MEMS hoặc PIN diode tần số cao MEMS được sử dụng nhiều do có công suất tiêu thụ thấp, không cần đường phân cực DC PIN diode vốn có chi phí thấp, ổn định, kích thước gọn, có điện trở và điện dung nhỏ ở cả 2 trạng thái ON và OFF, được chọn sử dụng cho các ứng dụng nghiên cứu

Hình dạng của anten với mạch vi dải phân cách RF-DC ở phía sau của đế như trong hình vẽ 2-12 Thông qua lỗ ở đế hình vuông bên trong dùng để kết nối cả 2 mặt của anten, và một điện trở SMD được sử dụng để hạn chế dòng phân cực qua PIN diode Ở hình 2-13, biểu diễn các thông số tán xạ của mạch phân cách được tối

ưu hóa, sự phân cách tốt giữa các cổng RF và DC xảy ra ở tần số 5.5 Ghz Kích thước của khe được điều chỉnh để tạo băng tần loại bỏ ở tần số 5.5 GHz

Hình 2-12: Hình dạng anten đơn cực phẳng UWB với vòng khe vuông có PIN diode, và mạch RF-DC (L=19 mm, h 0 =0.2 mm, =23 0 , L s =10.2 mm, W s =9.2

mm, l s =3.5 mm, l 1 =5.1 mm, l 2 =0.3 mm) Phần màu xám tương ứng với mặt sau của anten [6]

Hình 2-13: VSWR được mô phỏng cho cấu trúc trong hình vẽ 12 (đường cong đậm) và cho cùng anten không có dải ở đỉnh của khe (đường chấm) [6]

Tần số cộng hưởng của mode khe có thể được điều chỉnh bằng cách thêm thành phần điện kháng vào khe, trong khi đó phần còn lại của các mode của cấu trúc anten đơn cực phẳng không bị thay đổi Ngoài ra, khi sử dụng điện kháng biến thiên, như trong hình 2-15, việc điều khiển tần số cộng hưởng của khe sẽ chính xác hơn nhiều,

và băng tần loại bỏ có thể dò được Do đó, chức năng của anten được tăng thêm đáng kể

Thực hiện cấu trúc tương tự để tạo anten UWB có khả năng điều chỉnh đáp ứng band-notched, sử dụng PIN diode thay vì varactor diode, sử dụng điện áp DC phân cực ngược để điều khiển giá trị điện dung Mặt in phía sau cho phép phân cách RF-

Nhận xét: đáp ứng của anten điều khiển tắt, mở băng tần loại bỏ, điều chỉnh tối ưu

đáp ứng bằng tụ biến thiên, cấu trúc anten có hình dạng không gian, cấu hình phức tạp khó mô phỏng sản xuất trong nghiên cứu

Hình 2-16: Hình dạng của anten đơn cực lai ghép: (a) thiết kế toàn băng tần; (b) thiết kế có chức năng band-notched, đơn vị kích thước (mm) [3]

Ý nghĩa cấu trúc anten:

1 Đường cấp nguồn: đường cấp nguồn tín hiệu trực tiếp phối hợp trở kháng 50 Ohm

2 2 hình cánh quạt ở mặt dưới của patch dạng nửa elip: thực hiện tăng băng thông

3 Patch elip ngược: bộ lọc loại bỏ tín hiệu giao thoa

Hình 2-17: So sánh kết quả mô phỏng (L g =9mm) và các kết quả đo anten với

L g khác nhau (M=30 deg, B 1m= 5.5 mm, g=1.5 mm, r=0.48, w=1.875 mm, h=1 mm) [3]

Nhận xét: Kích thước anten khá lớn, cấu trúc elip phức tạp

2.2 Những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu giải quyết:

 Anten phải có đáp ứng thỏa mãn băng tần UWB và loại bỏ được băng tần Wi-Fi

 Giảm kích thước anten

 Anten có cấu trúc đơn giản

3 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT

3.1 Cơ chế bức xạ [1]

Một trong những câu hỏi đầu tiên được đặt ra là làm thế nào thực hiện được bức xạ? Nói cách khác, làm thế nào trường điện từ được phát ra từ nguồn, được truyền dẫn trong đường truyền và anten, và cuối cùng tách khỏi anten để tạo sóng trong

không gian tự do? Câu trả lời là thực hiện một minh họa, khảo sát một nguồn bức

xạ cơ bản là dây đơn

Các dây dẫn là vật liệu có đặc tính nổi trội là khả năng chuyển động của điện tích và hình thành dòng điện Giả sử độ lớn của mật độ dòng điện được biểu diễn bởi qv (coulombs/m3), được phân bố đều trong dây dẫn tròn với mặt cắt diện tích A

và thể tích V, như trong hình vẽ :

Hình 3-1: Phân bố điện tích đều trong mặt cắt dọc dây hình trụ [1]

Tổng điện tích Q trong thể tích V di chuyển theo hướng z với tốc độ đều vz(m/s) Mật độ dòng Jz (A/m2) qua mặt cắt của dây:

(3-1) Nếu dây được làm từ vật dẫn điện l ý tưởng, mật độ dòng Js (A/m) tập trung trên

bề mặt của dây và được tính bởi:

(3-2) với qs (coulombs/m2) là mật độ điện tích bề mặt