THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG

Bài báo cáo của môn thay thế tốt nghiệp Công nghệ vô tuyến băng rộng của thầy Ngọc THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG Hiện nay việc truyền nhận dữ liệu tầm gần giữa các thiết bị đầu cuối chủ yếu dùng công nghệ Bluetooth. Với việc phát triển lên thế hệ Bluetooth 4.0 đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ dàng ghép đôi các thiết bị với nhau, hiệu năng tiêu thụ thấp. Bluetooth thực sự vẫn là lựa chọn hàng đầu trong công nghệ truyền nhận tầm gần. Chính bởi những tính năng tuyệt vời của Bluetooth , cũng với những thành công và tính ứng dụng cao của anten vi dải, luận văn này đã nghiên cứu và trình bày được thiết kế mẫu anten cho ứng dụng Bluetooth (2.4GHz).

MỤC LỤC

Lời mở đầu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 3

1.1 Giới thiệu về anten vi dải 3

1.2 Đặc tính của anten vi dải 3

1.3 Ưu và nhược điểm của anten vi dải 5

1.4 Một số loại anten vi dải 6

1.4.1 Anten patch vi dải 6

1.4.2 Anten khe mạch in 7

1.4.3 Anten vi dải lưỡng cực 8

1.4.4 Anten vi dải sóng chạy 8

Chương 2 : ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG TRONG THIẾT BỊ DI ĐỘNG 10

2.1 Các kĩ thuật tiếp điện cho anten vi dải: 10

2.1.1 Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải 10

2.1.2 Tiếp điện bằng probe đồng trục 10

2.1.3 Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling) 11

2.1.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling) 12

2.3 Mô hình đường truyền 13

2.4 Kỹ thuật mở rộng băng thông 16

2.4.1 Kỹ thuật kích thích đa mode 16

2.4.2 Tăng độ dày chất nền 17

2.4.3 Kỹ thuật DGS 17

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI U-SLOT BĂNG RỘNG .19 3.1 Thiết kế anten 19

3.2 Mô phỏng thiết lập thông số 21

3.3 Kết quả mô phỏng 23

3.4 Kết luận 25

Tài liệu tham khảo 26

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI

1.1 Giới thiệu về anten vi dải

Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ nhữngnăm 1970, mặc dù những thiết kế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ nhữngnăm 1950 Ngày nay, anten vi dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là tronglĩnh vực hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông Đây

là loại anten có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc đơn giản, rẻtiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in Ngoài ra, anten loại này còn có sựlinh hoạt về tần số cộng hưởng, khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồnđơn giản, các đường cấp nguồn và các mạch phối hợp trở kháng có thể thực hiện đồngthời cùng với việc chế tạo anten

Tuy nhiên, anten dạng này cũng có một số nhược điểm như: hiệu xuất thấp (do suyhao của điện môi và điện dẫn), khả năng tích trữ công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồnnuôi (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải…), băng thông hẹp (khoảng một vài phầntrăm), hầu hết đều bức xạ trong nữa không gian phía trên mặt phẳng đất, một số loại có

độ lợi thấp…

Anten vi dải được ứng dụng trong dải tần GHz (f > 0.5 GHz) Đối với những tần sốthấp hơn thì kích thước của anten trở nên quá lớn

1.2 Đặc tính của anten vi dải

Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ vàđược chế tạo trên một bản mạch in Thực chất anten vi dải là một dạng anten có kết cấubức xạ kiểu khe

Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch)được đặt trên một lớp điện môi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiếp điện Cấu

trúc điển hình của một phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật được cho trong hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, bề dày của bản kim loại t, độ dẫn điện của bản kim loại σ , chiều dày lớp điện môi h, hằng số điện môi ε , suy hao tiếp tuyến (loss tangent) của lớp điện môi tan(δ ).

Bản kim loại rất mỏng, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng truyền trong không gian tự

do (t << λ0 ) Tuy nhiên, độ dày này phải ít nhất lớn hơn một vài lần so với độ sâu của lớpmặt ngoài vì nếu độ dày của bản kim loại nhỏ hơn độ sâu của lớp mặt ngoài thì những tổnthất thuần trở sẽ làm giảm hiệu suất bức xạ của anten Chiều dài L của bản kim loại

thường trong khoảng ( λ0 /3 < L < λ0 /2)

Chiều dày lớp điện môi h và hằng số điện môi ε đóng vai trò quan trọng trong các thông số bức xạ của anten Độ dày h của lớp điện môi thường trong khoảng (0.002 λ0 < h

< 0.1 λ0 ), hằng số điện môi ε thường trong khoảng (2.2 < ε < 12) Lớp điện môi dày với

hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng, suy hao

do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn Những vật liệu cóhằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 và lớn hơn 12 thường không phổ biến trong những thiết kếthương mại

Ngoài ra anten vi dải còn có các hình dạng khác như: hình vuông, hình tròn, hìnhtam giác, hình vành khăn, hình ellip …được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng

1.3 Ưu và nhược điểm của anten vi dải

Anten vi dải có một vài thuận lợi so với các anten vi sóng thông thường và do đó,

có nhiều ứng dụng bao phủ phạm vi băng tần rộng từ 100 MHz đến 100 GHz Một vàinhững thuận lợi của anten vi dải so với anten thông thường:

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng

 Chi phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt

 Phân cực tuyến tính và phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn giản

 Anten tần số kép và anten phân cực kép có thể thực hiện dễ dàng

 Có thể dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp vi sóng

 Các đường tiếp điện và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể được sản xuấtđồng thời với việc chế tạo anten

 Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng

 Tương thích với các thiết bị di động

Tuy nhiên anten vi dải cũng có một số hạn chế so với anten thông thường :

 Anten vi dải băng hẹp và các vấn đề liên quan đến dung sai

 Độ lợi thấp hơn

 Hầu hết anten vi dải đều bức xạ nữa không gian phía trên mặt phẳng đất

 Cấu trúc tiếp điện phức tạp cho các array hiệu suất cao

 Độ tinh khiết phân cực khó đạt được

 Khả năng xử lý công suất thấp

 Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

 Kích thích sóng bề mặt

1.4 Một số loại anten vi dải

1.4.1 Anten patch vi dải

Anten patch vi dải (Microtrip patch antenna: MPA) bao gồm một patch dẫn điệndưới dạng hình học phẳng hya không phẳng trên một mặt của đế điện môi và mặt phẳngđất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế

Hình 1.3 Anten patch vi dải

Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào các đặc tính bức xạ của nó, antenpatch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vuông, chữ nhât, tròn ) những đặc tính bức xạcủa chúng hầu như giống nhau Trong số các loại anten vi dải, anten có dạng hình chữnhật và hình tròn là hai dạng thông dụng của anten patch vi dải

Hình 1.4 Một số hình dạng cảu anten patch vi dải thông dụng

1.4.2 Anten khe mạch in

Anten khe mạch in (Printed slot antenna) có cấu tạo gồm một khe trong mặt phẳngđất của một đế được nối đất, khe này có nhiều hình dạng khác nhau: hình chữ nhật, hìnhtròn, Anten bài có thể được tiếp điện bằng sóng dẫn phẳng hay đường truyền vi dải, bức

xạ theo hia hướng hay trên cả hai mặt của khe

Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in 1.4.3 Anten vi dải lưỡng cực

Anten vi dải lưỡng cực có hình dạng giống với anten patch hình chữ nhật nhữngkhác nhau ở tỉ số L/W Chiều rộng của anten lưỡng cực so với anten patch thường bé hơn0.05 lần bước sóng trong không gian tự do

Đồ thị bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch vi dải giống nhau nhưng cócác đặc tính khác nhau như: điện trỏ bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo

Anten vi dải lưỡng cực thích hợp với cá ứng dụng tần số cao do chứng sử dụngmiếng đế điện môi có bề dày tương đối nên đạt được băng thông đáng kể

Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực 1.4.4 Anten vi dải sóng chạy

Anten vi dải sóng chạy (Microtrip traveling-Wave antenna: MTA) gồm các dải dẫnđiện tuần hoàn hoặc một đường vi dải đủ dài và rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền TE.Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được mắc tải có điện trở được phốihợp trở kháng để tránh hiện tượng dóng đứng tren anten

Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy

Chương 2 : ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG TRONG THIẾT BỊ

DI ĐỘNG

2.1 Các kĩ thuật tiếp điện cho anten vi dải:

Hiện nay, các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là:

Cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture- coupling),ghép gần (proximiti-coupling)

2.1.1 Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải

Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trườngtruyền dẫn là các mạng tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in cấpcao, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện,mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất Mặt phẳng đất là mặtphản xạ do đó đường truyền vi dải có thể xem là đường truyền gồm hai dây dẫn

Có hai tham số chính là độ dài dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h Một tham số khácquan trọng là hằng số điện môi tương đối của chất nền Hai tham số đôi khi có thể được bỏqua là độ dày dải dẫn điện t và điện dẫn suất sigma

Hình 2.1: Tiếp điện dùng đường truyền vi dải

2.1.2 Tiếp điện bằng probe đồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền tải công suấtcao tần, phương pháp này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với mặtphẳng đất của anten vi dải

 Ưu điểm:

- Đơn giản trong quá trình thiết kế

- Có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ phối hợp trở kháng

Phương pháp này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ bức xạ không cần thiết của đường

vi dải Cấu trúc gồm hai lớp điện môi, patch được đặt trên cùng, mặt phẳng đất ở giữa có mộtkhe hở nhỏ, khe ghép luôn đặt dưới và chính giữa bản kim loại nhằm giảm phân cực chéo dotính đối xứng, đường tiếp điện môi dưới

Hình 2.3 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe

 Ưu điểm: thông thường lớp điện môi trên có hằng số điện môi thấp hơn lớp điện môidưới nên hạn chế bức xạ không mong muốn

 Nhược điểm: phương pháp khó thực hiện do phải làm nhiều lớp, làm tăng độ dàyanten Phương pháp sử dụng cho băng hẹp

2.1.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling)

Bản chất của phương pháp là ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và patch Cấu trúc nàygồm hai lớp điện môi, đường patch nằm ở miếng điện môi trên đường tiếp điện ở giữa hailớp điện môi

Hình 2.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần

 Ưu điểm:

- Loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện

- Cho băng rộng (khoảng 13%)

Hình 2.5: Atnten patch hình chữ nhật

a) Phân bố ở trường mode cơ bản

b) Phân bố dòng ở trên bề mặt patch

c) Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (Z) theo chiều dài patch

Hình 2.6 a, điện trường bằng không ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cựctiểu (âm) ở cạnh đối diện Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra liên tục dopha tức thời của tiến hiệu đặt vào anten Điện trường mở rộng cả bên ngoài mặt phân giớiđiện môi – không khí Thành phần điện trường này mở rộng này được gọi là trường viền(fringing fieid) và nó làm cho patch bức xạ Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổbiến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hốccộng hưởng là mode TM10

Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn TM tượng trưng cho phân bố từ trường ngang, có 3thành phần, đó là điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và y trong hệ tọa độ Đềcác, trục x và y song song với mặt phẳng đất, trục z vuông góc với mặt phẳng đất Giá trị zhầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo trục z coi như không đáng kể Do đó,

kí hiệu TMnm chỉ sự biến đổi của trường theo hướng x và y, sự biến đổi của trường theohướng y không đáng kể nên m=0, trường biến đổi chủ yếu theo hướng x nên ở mode cơ bảnn= 1

thể tìm được trở kháng Trở kháng đạt cực tiểu ở giữa patch và cực đại ở gần hai cạnh Cómột điểm nằm ở vị trí dọc theo trục x tại đó trở kháng là 50 Ohm ta có thể đặt tiếp điện tạiđó.

2.3 Mô hình đường truyền

Anten vi dải hình chữ nhật có hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truyền vi dải, nhữnganten loại này có thể được mô hình như một phần của đường truyền sóng Mô hình đườngtruyền sóng là một trong những mô hình trực quan nhất trong phân tích anten vi dải và nótương đối chính xác với lớp điện môi mỏng Mô hình đường truyền sóng rất đơn giản và hữuích trong việc xem xét hoạt động cơ bản của anten vi dải Mô hình này xem anten vi dải nhưmột mảng gồm hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhua mộtkhoảng L [2]

 Hiệu ứng viền:

Trường tại gờ của patch bị viền do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều dài và chiềurộng, viền là một hàm theo kích thước của patch, chiều cao của lớp điện môi và hằng số điệnmôi Hiệu ứng viền ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng của anten

Hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp nền và phần của một số đường nằm ở ngoàikhông khí : Khi L/h>>1, , những đường sức điện tập trung đa phần trong lớp điện môi Hằng

số điện môi hiệu dụng được sử dụng để hiệu chỉnh các phần ảnh hưởng của hiệu ứng viềnđối với sóng trên đường truyền

Giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải với kích thước và chiều cao trên mặ phẳng đất banđầu của nó đưa vào một lớp điện môi đồng nhất có hằng số điện môi tiến tới giá trị hằng sốđiện môi nền

Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là cơ bản, tần số tăng thì hằng số điện môi hiệudụng càng tiến tới giá trị hằng số điện môi của chất nền

Hằng số điện môi hiệu dụng được tính theo công thức sau:

với (2.1)

 Chiều dài hiệu dụng , tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng

Trong mặt phẳng Oxy do hiệu ứng viền , kích thước patch của anten vi dải về mặt điện lớnhơn so với kích thước vật lí Do đó chiều dài điện của patch vượt trội so với chiều dài vật límột khoảng về mỗi phía và được tính theo công thức:

(2.2)

Khi đó chiều dài của patch lúc này sẽ là:

Hình 2.6: Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía

Giả sử, mode ưu thế là TM010 tần số cộng hưởng của anten vi dải là hàm của chiều dài:

Hai khe được xem như đồng nhất, dẫn nạp tương đương của nó sẽ là :

Điện dẫn của khe đơn có được bằng các phân tích trường theo mô hình cộng hưởng

 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng

Do hiệu ứng viền khoảng cách giữa hai khe < , dẫn nạp của khe 2 là:

(2.10)

Dẫn nạp và trở kháng vào tại cộng hưởng là:

Trong thực tế , hai khe có sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau biểu diễn bởi điện dẫn tương

Hình 2.7 : Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp

Với đường feed vi dải có trở kháng đặc tính Zc

2.4 Kỹ thuật mở rộng băng thông

2.4.1 Kỹ thuật kích thích đa mode

Việc sử dụng một số chế độ cộng hưởng là một cách tiếp cận rất thành công trong việc thiết

kế anten vi dải băng rộng Ý tưởng của phương pháp này là sử dụng các bộ cộng hưởng, cóthể ghép hai hay nhiều bộ cộng hưởng và điều chỉnh để bao phủ toàn dải tần đang khảo sát.Phương pháp này được sử dụng cho các hình dạng khác nhau của anten vi dải, mỗi thànhphần cộng hưởng được ghép sát với thành phần cộng hưởng khác, việc ghép sát này đượcđiều khiển để tăng băng thông

 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng

Hình 2.8 mô tả một anten vi dải với 2 patch được xếp chồng, patch bên dưới có thể được tiếpđiện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải, patch bên trên có thể đượcghép sát với patch bên dưới, để thu được tần số cộng hưởng khác một chút thì kích thước củapatch phía trên hơi khác kích thước của patch bên dưới

Hình 2.8: Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe

Ta có thể điều chỉnh một số tham số như độ dày d1 và d2 của chất nền, hằng số điện môi và ,

độ lệch tâm của miếng patch, kích thước miếng patch và vị trí tiếp điện cho những ứng dụngkhác nhau

Cấu hình anten với patch xếp chồng có những đặc điểm:

- Xếp chồng các patch không làm tăng diện tích bề mặt của phần tử so với các phần tử

ký sinh đồng phẳng, phần tử xếp chồng có thể được sử dụng trong cấu trúc mảng màkhông cần tăng khoảng cách các patch và giải quyết được vấn đề thuỳ lưới liên quan

- Các bức xạ và tâm pha của phần tử xếp chồng vẫn đối xứng trên dải hoạt động của nó

 Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng:

Phương pháp ghép gần các patch đồng phẳng có tần số cộng hưởng có chênh lệch chút ít.Chỉ có các patch ở giữa (patch điều khiển) được tiếp điện và các patch khác hoặc là đượcghép khe trực tiếp với patch điều khiển

Phương pháp sử dụng các thành phần ký sinh đồng phẳng có nhược điểm là diện tích bề mặttăng lên, giản đồ bức xạ và tâm pha biến đổi rõ rệt theo tần số, đặc biệt đối với các thiết kếbăng thông rộng hơn

2.4.2 Tăng độ dày chất nền

Phương pháp tăng độ dày chất nền chỉ hiệu quả với anten có độ dày chất nền

Băng thông gần như tăng tuyến tính khi độ dày chất nền tăng Phương pháp này vẫn cònnhiều hạn chế:

- Công suát sóng bề mặt tăng làm giảm hiệu suất bức xạ

- Chất nền có độ dày 0.11 khó phối hơp trở kháng

- Chất nền càng dày có thể tạo ra các mode bậc cao dọc theo chiều dày của chất nền