THIẾT KẾ ANTEN CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN

Chia sẻ: Chu Văn Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

297
lượt xem 68
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, ... chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: THIẾT KẾ ANTEN CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN

THIẾT KẾ ANTEN CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN 1. Gi ới thi ệu Truyền thông không dây đã phát tri ển rất nhanh trong nhữ ng năm g ần đây, theo đó các thiết bị di đ ộng đang tr ở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏ a mãn nhu c ầu thu nhỏ các thiết bị di đ ộng, anten g ắn trên các thiết bị đ ầu cuối cũng phải đư ợc thu nhỏ kích thước. Các anten ph ẳng, như anten vi d ải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu đi ểm hấp dẫn như kích thư ớc nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, ... chúng s ẽ là lựa chọn thỏ a mãn yêu c ầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này, k ỹ thuật thiết kế anten ph ẳng băng rộ ng đã thu hút r ất nhiều sự quan tâm c ủa các nhà nghiên c ứ u anten. Gần đây, nhiều anten ph ẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu c ầu về băng thông c ủa hệ thống truyề n thông di đ ộng tế bào hiện nay, bao gồ m GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS (Unive rsal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã xu ất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten ph ẳng cũng rất thích hợ p đ ố i với ứng d ụng trong các thi ết bị truyền thông cho hệ thống mạng c ục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải t ần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz). Trong bài, trình bày thi ết kế các một anten vi d ải băng rộng đ a dải tần, sử dụng cho các thi ết bị di đ ộng ho ạt đ ộ ng trong dải tần GSM, UTMS, WLAN. Anten được chế tạo trên chất nền có h ằng số điện môi εr=4.4, đ ộ dày là 0.8 mm và được thiết kế tại tần số 900 MHz và 2000MHz. Đồng thời sử dụng ph ần mềm Ansoft HFSS đ ể thiết kế và mô phỏ ng. HFSS s ử dụng phương pháp ph ần tử hữ u h ạn (Finite Element Method, FEM), kỹ t hu ật chia lư ới thích nghi (adaptive meshing) và giao diện đ ồ họ a đ ẹp đ ể m ang đ ến sự hiểu biết sâu s ắc đ ố i với tất c ả các bài toán trườ ng đ iệ n từ 3 D 1
2. P hân tích và thi ết kế anten 2.1. Mô tả mô hình anten Trong bài báo cáo tập trung thiết kế một anten đơn c ực phẳng ph ù hợ p cho ứ ng dụng trong các thi ết bị cầm tay di đ ộng (mobile hanset). Anten bao gồm mộ t bộ phát xạ hình chữ nhật bị xẻ bởi các rãnh uốn khúc tạo thành 3 nhánh, trong đó 2 nhánh cộng hưở ng và 1 nhánh đi ều chỉnh. Anten đư ợc in trên ch ất nề n FR4 và được tiếp điện bởi một đường vi d ải 50 Ω. Anten này có thể ho ạt đ ộng trong các d ải tần GSM, U TMS và WLAN với hệ số sóng đ ứ ng VSWR nhỏ hơn 2.5. 2.1.1. Gi ới thi ệu Trong bài trình bày, một anten đơn c ực ph ẳng với cấu trúc 2D được thiết kế. Cả cấu trúc và các tham s ố c ủa c ấu trúc đ ều đư ợc điều chỉ nh một cách c ẩn thận đ ể đ ạt được yêu c ầu cộng hưở ng ở nhiều tần số (đa c ộ ng hưở ng), băng thông đ ủ và convenient profile. Anten có 3 nhánh và đư ợc in trên mộ t tấm điện môi. Trước tiên, 2 nhánh được thiết kế để cộng hư ởng ở 2 tần số nh ất đ ịnh, và sau đó nhánh th ứ 3 được thêm vào đ ể điều chỉnh t ần số cộng hưở ng cho phù hợ p với các d ải t ần mong muố n. Với diện tích nhỏ 36 x 15 mm2, anten đáp ứ ng yêu c ầu c ủa các chuẩn truyền thông sau: GSM (Global System for Mobile communications, 890 MHz – 960 MHz), U TMS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 MHz – 2170 MHz) và WLAN (Wireless Local Area Network, 2400 MHz – 2484 MHz). Hình 2.1: Hình dạng c ủa anten được thiết kế trong khóa lu ận 2
2.1.2. Thi ết kế thành phầ n bức x ạ Hình d ạng tổng thể của ante n mà khoá lu ận thiết kế được thể hiện trong hình 2.1 và thành ph ần b ức x ạ đư ợc thể hiện trong hình 2.2 dưới đây. Hình 2.2: Thành ph ần b ức x ạ c ủa anten Thành ph ần bức x ạ đơn c ực phẳng chiếm diện tích là 36 x 15 mm2, và được in trên chất nề n FR4 dày 0.8 mm (h ằng số điện môi tương đ ố i là 4.4). Tấm điện môi này được dùng phổ biến đ ể làm các mạch PCB cho đi ện tho ại di đ ộng. Ch ất nền (lớp điện môi) rộng 36 mm và dài 75 mm. Ở m ặt sau c ủ a tấm điện môi, mặt ph ẳng đ ất được in có chiều rộ ng 36 mm và chiề u dài 60 mm. Thành ph ần b ức xạ đơn c ực được tiếp điện bởi một đườ ng vi d ải 50 Ω như được chỉ r a trong hình 2.1. Thành ph ần bức x ạ chính (patch) ban đ ầu có dạng hình ch ữ nh ật. B ằng cách xẻ mộ t rãnh uốn khúc trên thành phần b ức x ạ ban đ ầu tạo ra 3 nhánh, trong đó nhánh cộng hư ởng th ứ nhất là nhánh dài hơn, nhánh c ộng hưở ng th ứ hai là nhánh ng ắn hơn và nhánh điều chỉ nh (nhánh th ứ ba) với các kích thước chi tiết được chỉ ra trong hình 2.3. Hình 2.3: Kích thước chi tiết thành ph ần bức xạ của anten Ta mong muố n anten ho ạt độ ng tại 2 d ải tần (d ải thứ nh ất cho GSM và d ải thứ hai gồm 4 dải gần nhau là DCS, PCS, UTMS và WLAN), do đó thi ết kế ban đ ầu chỉ có 2 nhánh c ộng hưởng (không có nhánh thứ ba). Chiều dài c ủa nhánh dài hơn tính từ điểm tiếp điện tới đ ầu cuối c ủa nhánh c ộng hưở ng thứ nhất là kho ảng 75 mm. Giá 3
trị này rất g ần với ¼ bước sóng tại tần số 900 MHz trong không gian t ự do. Cũng nên chú ý rằng, t ần số cộng hưở ng ph ụ t huộc cả vào chiều dài c ủa nhánh và chi ều rộng của đ ầu cuối. Theo cách tương t ự, chiề u dài c ủa nhánh c ộng hưở ng th ứ hai tính từ điểm tiếp điện tới đ ầu cuố i của nó là kho ảng 35 mm, x ấp xỉ ¼ bước sóng tại tần số 2 GHz. Độ dài 2 nhánh c ộ ng hưở ng được chọ n ng ắn hơn so với ¼ bư ớc sóng c ộng hưở ng được chọ n. Lý do chính là một số tồ n tại trong th ực tế của ch ất nề n sẽ thu ngắn bước sóng c ộ ng hưởng. Anten với chỉ 2 nhánh c ộng hưởng 1 và 2 có khả năng ho ạt đ ộng ở 2 dải tần. Tuy nhiên, băng thông l ại chưa đ ủ để bao ph ủ tất c ả 5 dải tần được liệt kê ở trên, đ ặc biệt là d ải WLAN (kết qu ả mô phỏng được thể hiện trong ph ần sau). Do đó, nhánh đi ều chỉnh (nhánh thứ ba) được thêm vào t ại một vị trí thích hợ p trên nhánh c ộng hưở ng thứ nhất. Các kết qu ả mô phỏ ng chỉ ra r ằng, b ằng cách điều chỉ nh c ẩn th ận các kích thước c ủa nhánh thứ ba, các mode c ộng hưở ng cơ b ản và b ậc cao hơn của nhánh cộng hư ởng th ứ nhất có thể được điều chỉnh tới tần số mong muốn. Theo dữ liệu mô phỏ ng, t ần số cộng hưở ng c ủa mode cơ b ản được giảm từ 900 MHz xuố ng 870 MHz. Đối với mode bậc cao hơn, tần số cộng hưởng thay đ ổ i từ lớn hơn 3 GHz xuố ng kho ảng 2.3 GHz. Do đó, anten khi có đ ủ 3 nhánh có thể ho ạt đ ộng ở c ả 3 dải t ần GSM/UTMS/WLAN. 2.1.3. Thi ết kế thành phầ n phố i h ợp tr ở kháng d ải r ộ ng Trong thiết kế này l ựa chọ n bộ phối h ợp trở kháng dạng tam giác. Do hình d ạng của nó dễ dàng th ực hiệ n được b ằng phương pháp t hủ công. Sự biến đ ổ i của trở kháng Z(z) theo z c ủa phố i hợ p trở kháng dạng tam giác là: Hình 2.4: Bộ phối hợ p trở kháng d ạng tam giác 4
Với Z0 = 100 Ω và ZL = 50 Ω. Đáp ứ ng biên đ ộ của hệ số ph ản x ạ đư ợc: Hình 2.5: Bộ phố i hợ p trở kháng liên t ục dạng tam giác [4] (a). Sự biến đ ổi c ủa trở kháng theo z (b). Đáp ứng biên đ ộ của hệ số ph ản xạ Γ(θ) 2.1.4. Thi ết kế đ ườ ng truyền vi dải 50 Ω Thiết kế với Ansoft Designer 2.0, xác đ ịnh đ ộ rộng (W) c ủa một đường truyền vi dải có tr ở kháng đ ặc trưng Z0 = 50 Ω, hằng số điện môi chất nền εr = 4.4 (FR4 - epoxy), chiều cao ch ất nền h= 0.8 mm, đ ộ dày lớ p đ ồ ng là t = 0.034 mm. Các bư ớc thiết kế l ần lượt như sau: 1. Khởi đ ộ ng Ansoft Designer 2.0 2. Từ menu Project, chọn Insert Planar EM Design… Sau đó c ử a sổ C hoose Layout Technology xuất hiệ n cho phép b ạn chọ n Layout. 3. Ta chọn MS-FR4(Er=4.4) 0.060 inch, 0.5 oz copper. Sau đó nh ấn Open. 4. Cử a sổ thiết kế xuất hiện, cho phép b ạn th ực hiện các thao tác thi ết kế. Từ menu Layout, ta chọ n Layers, chọ n tab Stackup đ ể sử a đ ổi các thông s ố của đư ờng truyề n như hình 2.6: 5
Hình 2.6: Thiết lập các thông s ố của đườ ng truyền 5. Ta sẽ ước lượ ng đ ộ rộ ng (W) c ủa đườ ng truyền vi dải. Từ menu Planar EM, ta chọn Estimate. Cử a sổ Estimate xu ất hiện, với tab m ặc đ ịnh là Tline. Hình 2.7 : Ước lượ ng đ ộ rộng W củ a đ ường truyề n vi dải 2.2. Mô phỏ ng c ấu trúc anten v ới ph ầ n mề m Ansoft HFSS HFSS là viết tắt c ủa Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là ph ần mềm mô phỏ ng trườ ng điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) đ ể mô hình hóa b ất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ư u điểm nổ i bật củ a nó là có giao di ện người dùng đ ồ họ a. Nó tích hợ p mô phỏ ng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và t ự độ ng hóa (tự đ ộng tìm lời gi ải) trong một môi trường dễ dàng đ ể học, trong đó l ời gi ải cho các bài toán đi ện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS s ử dụ ng phương pháp phần tử hữ u hạn (Finite Element Method, FEM), k ỹ t huật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đ ồ họ a. Ansoft HFSS có thể được sử dụng đ ể tính toán các tham s ố ch ẳng h ạn như: tham s ố S, t ần số cộ ng hưở ng, gi ản đ ồ trường, tham 6
số γ, ... HFSS là mộ t hệ thống mô phỏ ng tương tác, trong đó phần t ử m ắt lư ới cơ bản là mộ t tứ diện. Điều này cho phép b ạn có thể tìm lời giải cho b ất k ỳ vật thể 3D nào. Đ ặc biệt là đối với các cấu trúc có d ạng cong ph ức tạp. Anso ft là công ty tiên phong s ử dụng phương pháp ph ần tử hữ u h ạn (FEM) đ ể mô phỏ ng trườ ng điện từ b ằng các k ỹ thu ật như: ph ần tử h ữu h ạn, chia lưới thích nghi, … Ansoft HFSS cung c ấp mộ t giao diệ n trực giác và dễ dàng s ử d ụng đ ể phát triển các mô hình thi ết bị R F th ụ động. Chu trình thi ết kế được minh họ a trong hình 4.1, bao gồ m các bư ớc sau: 1. Vẽ mô hình với các tham s ố cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích. 2. Thiết đ ặt các thông s ố đ ể phân tích: thực hiện thiết đ ặt các thông s ố đ ể tìm lời gi ải. 3. Ch ạy mô phỏ ng: quá trình này hoàn toàn t ự đ ộ ng. 4. Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đ ồ thị trường 2D. Trong quá trình thực hiệ n phân tích, HFSS s ẽ chia toàn bộ cấu trúc thành các tứ diện nhỏ (gọ i là mắt lưới). Hệ thống m ắt lưới sẽ lấp kín toàn bộ cấu trúc. Tại mỗ i bước thích nghi, HFSS s ẽ tính giá trị của tham s ố S cho từ ng m ắt lưới. Giữ a 2 bước thích nghi liên ti ếp, HFSS s ẽ tính gia s ố Delta S với công thức như sau: Delta S = Maxij [mag (SN ij – S(N-1)ij)] Trong đó i và j là chỉ số của ph ần tử tuơng ứng trong ma tr ận S và N là chỉ số của bước thích nghi. Delta S là giá tr ị lớn nhất c ủa gia số củ a biên đ ộ của tham s ố S tương ứ ng. HFSS s ẽ so sánh giá tr ị Delta S này với tiêu chuẩn hội tụ do người dùng định nghĩa đ ể kết luận s ự hội tụ c ủa lời gi ải. 7
Hình 2.8: Chu trình thực hiện mô phỏng với HFSS 2.3. Thi ết đặt các tham s ố trong HFSS 2.3.1. Solution Setup Click ph ải vào Analysis và chọ n Add Solution Setup…. Cử a sổ Solution Setup s ẽ hiển thị. Tại đây ta s ẽ thiết đ ặt Solution Frequency (hay Adaptive Frequency) và Convergence Criteria (tiêu chu ẩn hội tụ). G eneral Tab Solution Frequency Tần số này được sử dụ ng b ởi thành ph ần chia lư ới thích nghi (adaptive mesher) đ ể tự động chia m ắt lưới. Sau khi thiết đ ặt “Solution frequency”, t ất nhiên s ẽ nh ận được mộ t giá trị bước sóng tương ứ ng, và HFSS s ẽ thiết đ ặt việc tính toán các mắt lưới theo giá tr ị bước sóng này. Do đó, nếu thiết đ ặt tần số “Solution frequency” cao hơn, ta sẽ nh ận được bước sóng ngắn hơn, m ắt lưới ta thu được cũng nhỏ hơn. Điều đó cũng có nghĩa r ằng, số lượng mắt lưới sẽ lớn hơn. Về lý thuyết, kết qu ả mô phỏ ng nhận được sẽ chính xác hơn. Vì vậy, “Solution frequency” không nh ất thiết ph ải trùng với tần số cộ ng hưở ng c ủa cấu trúc. Tuy nhiên, ta s ẽ gặp một vấn đ ề khác đó là: tài nguyên c ủa máy vi tính (bộ nhớ) là có 8
hạn. Do đó, nếu số lượ ng m ắt lưới quá lớ n, sẽ l àm tràn bộ nhớ m áy tính. Gi ải pháp cho vấn đề này được thực hiệ n như sau: chia d ải t ần quan tâm (500 MHz – 3 G Hz), đối với anten được thiết kế trong khóa luận này, thành 5 d ải tần nhỏ hơn và th ực hiện phân tích với thiết đ ặt “Solution frequency” cho t ừng d ải nhỏ như sau: Lự a chọ n Solution frequency 500 -- 1000 MHz 10 00 MHz 10 00 -- 1500 MHz 15 00 MHz 1500 -- 2000 MHz 2000 MHz 2000 -- 2500 MHz 2500 MHz 2500 -- 3000 MHz 3000 MHz Hình 2.9: Thiết đ ặt các tùy chọn “Solution Setup” trong tab General Solve Ports Only Khi sử d ụng tùy chọn này, HFSS xác đ ịnh tần số hoặc mode ban đ ầu được sử dụng đ ể kích thích c ấu trúc. Lời giải chỉ áp d ụng t ại các port có thể được sử dụ ng đ ể tính toán gi ản đ ồ trường tại port. Lời giải này h ữu dụng khi c ần xác đ ịnh số lượng mode, đ ộ dài port và/ho ặc thiết lập port hợp lý trước khi ch ạy Analysis đ ể tìm toàn 9
bộ lời gi ải. Adaptive Solutions Maximum Number of Passes: giá tr ị này điều khiển số lượ ng bước thích nghi l ớn nhất mà th ủ tục chia lưới thích nghi s ẽ thực hiện khi nó c ố gắng tho ả m ãn tiêu chu ẩn hội tụ. Maximum Delta S Per Pass: giá tr ị này đ ịnh nghĩa tiêu chu ẩn hội tụ c ho quá trình chia lưới thích nghi. Thông thườ ng giá trị này được chọ n kho ảng 0.02 ho ặc 0.01 là đủ. Quá trình chia lưới thích nghi có thể sẽ ngừng khi s ố lượng bước thích nghi chưa đ ạt đến giá trị “Maximum Number of Passes” nếu giá trị Delta S đã thỏa mãn tiêu chu ẩn hội tụ “Maximum Delta S Per Pass” được thiết lập ở trên. Advanced Tab Initial Mesh Op tions Do Lambda Refinement: lưới khởi t ạo là mộ t hệ t hố ng m ắt lưới có dạng tứ diện b ất kỳ. Quá trình Lambda Refinement s ẽ t hao tác trên lưới kh ởi tạo cho tới khi h ầu hết các đ ộ dài của ph ần tử mắt lưới x ấp xỉ ¼ bước sóng trong không khí và 1/3 bước sóng trong điện môi. Bước sóng được tính toán t ừ giá trị tần số được nh ập vào trong tuỳ c họ n “Solution Frequency” trong tab General Use Free Space Lambda: tuỳ chọn này sẽ ép quá trình Lambda Refinement hướ ng tới kích thước m ắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng trong không khí. Các đ ặc tính vật liệu của cấu trúc sẽ bị bỏ qua. Điều này có thể hữ u d ụng trong các ứng d ụng s ử dụng các điện môi có đ ộ dẫn điện cao. Adaptive Options Refinement Per Pass: s ố lượng m ắt lưới tăng lên sau mỗi bước thích nghi và được điều khiển bởi tuỳ chọ n Refinement Per Pass, tham s ố này tính theo ph ần trăm. Điều này đ ảm b ảo r ằng giữ a mỗi bước thích nghi, mắt lưới đ ủ xáo trộn và đ ảm b ảo rằng bạn sẽ không nh ận được sự hộ i t ụ sai. Minimum Number of Passes: mộ t phân tích thích nghi s ẽ không d ừng cho tới khi số lượng bước tố i thiểu mà bạn xác đ ịnh trong tùy chọ n này đã hoàn thành, th ậm chí 10
ngay c ả khi tiêu chuẩn hội tụ đã tho ả m ãn. Minumum Converged Passes: một phân tích thích nghi s ẽ không d ừng trừ khi số lượng bư ớc hộ i tụ tối thiểu mà bạn xác đ ịnh đã hoàn thành. Tiêu chuẩn hộ i tụ ph ải phù hợ p với số lượ ng bước tối thiểu này trước khi các phân tích thích nghi d ừng. Thông thườ ng các tùy chọ n trong tab này đ ều đ ể m ặc đ ịnh là đ ủ . Nế u muố n kết quả chính xác hơn, ta có thể thay đ ổi các tùy chọn này. Hình 2.10: Thiết đ ặt các tùy chọ n” Solution Setup” trong tab Advanced 2.3.2. Mesh Operations Click ph ải vào “Mesh Operations”, chọ n Assign, chọ n On Selection, chọ n Length Based…C ửa sổ Element Length Based Refinement xuất hiện. Tại đây cho phép b ạn thiết đ ặt các tùy chọn cho quá trình chia lưới thích nghi Maximum Length of Elements Kinh nghiệm th ực tế từ mô phỏ ng cho ta một nhận xét rằng: thiết đ ặt tùy chọ n Maximum Length of Elements với giá trị bằng 1/30 giá tr ị bước sóng trong chân không ở tần số cao nhất trong dải t ần thực hiện phân tích s ẽ cho kết qu ả đủ chính xác. Ví d ụ trong d ải 500 MHz – 1000 MHz thì t ần số 1000 MHz là t ần số cao nh ất trong 11
dải, bước sóng trong chân không tương ứ ng với tần số đó là 300 mm, do đó 1/30 c ủa bước sóng này s ẽ là 10 mm. Giá trị Maximum Length of Elements được thiết đ ặt cho 5 d ải tần trong mô phỏ ng cho anten trong khóa luận như sau: 500 -- 1 000 MHz 10 mm 1000 -- 1500 MHz 7 mm 1500 -- 2000 MHz 5 mm 2000 -- 2500 MHz 4 mm 2500 -- 3000 MHz 3 mm Hình 2.11: Thiết đ ặt tùy chọn Mesh O perations 2.3.3. Radiation Boundary Biên b ức x ạ (radiation boundary), cũng còn gọi là biên h ấp thụ ( absorbing boundary). Sóng đi ện từ b ức xạ ra ngoài c ấu trúc anten và đi th ẳng tới biên b ức x ạ. Hệ thố ng sẽ hấp th ụ các sóng bức x ạ này tại biên bức x ạ. Các biên b ức xạ cũng có thể được đ ặt tương đ ố i gần với c ấu trúc và có thể có hình d ạng b ất k ỳ. Với c ấu trúc 12
được thiết lập biên bức x ạ, các tham s ố S được tính toán có tính đ ến cả các ảnh hưở ng c ủa m ất mát do b ức x ạ. Khi biên b ức x ạ được thiết lập trong một c ấu trúc, trường xa được tính toán dự a trên sóng h ấp thụ thu được t ại biên bức x ạ. Để đơn gi ản, ta thườ ng vẽ biên b ức xạ l à mộ t hình hôp chữ nhật, và đ ộ dài c ạnh c ủa nó thườ ng được chọ n b ằng bước sóng trong chân không c ủ a tần số thấp nhất trong dải t ần quan tâm. Tuy nhiên, đôi khi quá trình mô phỏ ng với thiết đ ặt biên bức xạ như vậy diễn ra quá ch ậm, ta có thể thiết đ ặt biên bức x ạ bằng chỉ ½ giá trị bước sóng trong chân không c ủ a tần số thấp nhất. Trong khóa lu ận này, tần số thấp nh ất trong d ải 500 MHz – 3000 MHz là 500 MHz, do đó ta vẽ biên bức x ạ là một hình hộp chữ nhật (hình 3.1 ) với đ ộ dài c ạnh là 300 mm (1/2 bước sóng tại t ần số 500 MHz). Hình 2.12: Biên b ức x ạ c ho anten trong khóa lu ận 3. Kết quả mô phỏ ng v ới HFSS 13.0 Với tiêu chuẩn hội tụ được thiết đ ặt ở trên là: s ự t hay đ ổi c ực đ ại c ủa biên đ ộ của tham số S phải nhỏ hơn 0.02 (giá tr ị m ặc đ ịnh), HFSS c ần 6 bước thích nghi đ ể thỏ a mãn tiêu chuẩn hội tụ này. Hình 3 .1 t hể hiện quá trình hộ i tụ của lời gi ải 13
Hình 3.1: S ự hội tụ của lời giải trong HFSS Đồ thị hệ số phản xạ S11 (Return Loss) theo t ần số cho anten được mô phỏ ng thể hiện trong hình 3.2 . Hình 3.2: Đồ t hị S11 cho anten 14
Hình 3.3: Đồ t hị VSWR cho anten Với m ất mát do ph ản x ạ ( Return Loss) S11 = -8 dB (tương ứ ng với hệ số sóng đứng VSWR=2.5), ta th ấy anten không có nhánh thứ 3 c ộng hưởng gần các tần số 900MHz và 2200MHz. Tiế p theo ta xem xét các gi ản đ ồ trườ ng bức x ạ được đưa ra b ởi HFSS. Ở đây, ta chỉ quan tâm tới gi ản đ ồ bức x ạ trường xa trong các m ặt phẳng tọ a đ ộ XOY, XOZ và YOZ. Hình 3.4: Gi ản đ ồ bức x ạ trư ờng xa trong m ặt phẳng XOY 15
Từ c ác hình 3.4 , 3.5 và 3.6 ta th ấy, t ại tần số 870 MHz, anten b ức x ạ có hướ ng trong m ặt ph ẳng XOY và XOZ, bức x ạ vô hướ ng trong m ặt ph ẳng YOZ. Tuy nhiên, tại các tần số cộ ng hưở ng cao hơn thì gi ản đ ồ bức xạ trong cả ba m ặt ph ẳng bị méo d ần so với t ại t ần số cộng hư ởng 870 MHz. Hình 3.5: Gi ản đ ồ bức x ạ trư ờng xa trong m ặt phẳng XOZ Hình 3.6: Gi ản đ ồ bức x ạ trư ờng xa trong m ặt phẳng YOZ 16
Hình 3.7: Gi ản đ ồ b ức x ạ 3 D trườ ng xa trong hệ tọ a đ ộ cực tại t ần số 870 MHz Hình 3.8: Gi ản đ ồ b ức x ạ 3 D trườ ng xa trong hệ tọ a đ ộ cực tại t ần số 2160 MHz Hình 3.9: Gi ản đ ồ b ức x ạ 3 D trườ ng xa trong hệ tọ a đ ộ cực tại t ần số 2380 MHz 17
Từ c ác giản đ ồ bức x ạ trên ta th ấy, khi tần số tăng lên thì giản đ ồ bức x ạ c ủa anten bị bóp mé o d ần, do ảnh hưở ng c ủa bức x ạ củ a m ặt ph ẳng đ ất, cũng như bức xạ do đường tiếp điện vi d ải, cũng như s ự lệch phối hợ p trở kháng tăng lên. 4. Kết luận Khóa lu ận là bư ớc mở đầu trong nghiên c ứ u, thiết kế và chế tạo anten m ạch d ải băng rộ ng có khả năng ho ạt đ ộ ng tại nhiều băng tần. Tuy nhiên trong đi ều kiện cơ sở vật chất còn khó khăn, em đã thực sự cố gắng đ ể đạt được một số kết qu ả thiết th ực nhất đ ịnh. Hướ ng phát triển tiếp theo c ủa khóa luận gồm nhữ ng vấn đ ề sau:  Tối ưu hóa các thi ết đ ặt tham s ố trong ph ần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 13.0 để thu được kết qu ả chính xác hơn nữ a (Chi tiết trình bày trong phần phụ l ục B). Mộ t số tham số quan trọng trong đó là: o Mesh Operations o Chia dải tần c ần quan sát thành các d ải nhỏ hơn, thực hiện phân tích từng dải với tham s ố Solution frequency được chọ n phù hợ p cho từ ng dải.  Làm tăng băng thông thêm nữ a. Tập trung vào việc điều chỉnh kích thước của nhánh c ộng hưở ng th ứ 1, vị trí c ủ a điểm tiếp điện, và nghiên c ứ u chi tiết các ảnh hư ởng c ủa nhánh điều chỉnh (nhánh th ứ 3).  Lự a chọ n bộ phối h ợp trở kháng d ải rộng khác có đ ặc tính tố t hơn. Cụ t hể là bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein (như chương 2 đã phân tích).  Sử d ụng các thiết bị chuyên dùng đ ể chế t ạo anten nh ằm th ực hiện chính xác các kích thước như thiết kế. 18
TÀI LIỆ U THAM KH ẢO 1. Constantine A. Balanis, Antenna Theory – Analysis and Design, John Willey & Son, INC, Second Editon 2. David M. Pozar, Microwave Engineering, John Willey & Son, INC, Second Editon 3. Y. J. Wang, C. K. Lee, Design of Dual - Frequency Microstip Patch Antennas and Application for IMT-2000 Mobile Handsets, Nanyang Technological University, Nanyang Avenue, Singapore 4. Xu Jing, Zhengwei Du and Ke Gong, Compact Planar Monopole Antenna for Multi-band Mobile Phones, Tsinghua University, Beijing, People’s Republic of China 5. Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Hanbook, Artech House 6. U.S. Marine Corps, Field Antenna Handbook 7. Chin Liong Yeo, Active Microstrip Array Antennas, Submitted for the degree of Bachelor of Engi neering, University of Queensland 19