báo cáo bài tập lớn đề tài anten pifa

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ</b>

<b>Trường : Điện – Điện tử</b>

--- ---  

<b>Báo cáo bài tập lớn:</b>

<i><b>Đề tài: Anten PIFA</b></i>

<b>Giảng viên: Tạ Sơn Xuất</b>

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nghiêm Văn Quang 202035472 Đào Trường Giang 202034023 Nguyễn Phạm Trung Hiếu 202037064 Nguyễn Văn Trí 202036195 Mai Văn Mạnh 202035006 Bùi Văn Huỳnh 202034647 Nguyễn Đăng Dương 202033888 Nguyễn Tuấn Anh 20200038

<b>Hà Nội, năm 2023</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>MỤC LỤC</b>

<b>I.Giới thiệu... 2</b>

<b>II.Lịch sử anten PIFA... 3</b>

<b>III.Lý thuyết anten PIFA...5</b>

<b>1.Cu tr c anten PIFA... 5</b>

HGnh 2: HGnh ảnh thiết kế 3D của anten PIFA...5

HGnh 3: HGnh ảnh thiết kế anten PIFA nhGn từ trên xuống...6

HGnh 4: HGnh ảnh thiết kế anten PIFA nhGn chiếu cạnh...6

HGnh 5: Mô hGnh điện...7

HGnh 6: Anten PIFA...8

HGnh 7: Cấu trúc anten PIFA...8

HGnh 8: Antenna PIFA băng tần kép cho hệ thống wifi MIMO...10

HGnh 9: Anten PIFA trong điện thoại di động...11

HGnh 10: Cấu trúc của anten PIFA...12

HGnh 11:Bảng thông số anten PIFA...14

HGnh 12: Anten pifa được thiết kế bằng phần mềm HFSS...15

HGnh 13: Đồ thị S(1,1) của anten...16

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>I.Giới thiệu</b>

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và cơng nghệ kéo theo đó là các hệ thống RL và kết nối không dây trở nên phức tạp hơn. Một thành phần quan trọng trong các thiết bị đầu cuối chính là anten. Các ngành mong đợi tốc độ dữ liệu cao hơn, độ trễ thấp hơn, độ tin cậy và hiệu suất cao hơn. Giữa sự phức tạp này, việc lựa chọn và tích hợp anten - một thành phần quan trọng trong các thiết bị đầu cuối. Ngoài ra, do bức xạ củaanten, điều quan trọng là các mối nguy hiểm ảnh hưởng đến cơ thể con người. Trước đây, điện thoại di động rất nặng và có anten bên ngồi trên điện thoại cao nhất và phần lớn tín hiệu bức xạ được nhân đơi và hấp thụ bởi đầu của con người. Có rất nhiều anten có sẵn để lựa chọn tùy thuộc vào ngành, thiết kế RF và công nghệ hoặc ứng dụng khơng dây. Chọn loại tốt nhất có thể là một nhiệm vụ khó khăn. Có nhiều lựa chọn anten với nhiều kích cỡ, hGnh dạng, hiệu suất và chi phí khác nhau – tất cả các yếu tốđều quan trọng trong việc lựa chọn anten. Với tất cả những lựa chọn này và sự phức tạp của thiết kế RF, khơng có giải pháp anten nào phù hợp cho tất cả.

Hiểu các loại ăn anten khác nhau, cách chúng hoạt động và chúng hoạt động tốt nhất trong môi trường nào có thể giúp bạn chọn giải pháp anten tốt nhất cho thiết bị hoặc hệ thống của mGnh.

Với cấu trúc đơn giản, kích thước, trọng lượng gọn nhẹ,chi phí chế tạo rẻ làm cho anten PIFA đã và đang trở thành một trong những loại anten được sử dụng nhiều trong các hệ thống di động vừa và nhỏ.

<b>II.Lịch sử anten PIFA </b>

Anten PIFA là một loại anten được cải tiến dựa trên anten IFA. Nó đượcphát triển vào những năm 1980.

HGnh bên dưới thể hiện quá trGnh hGnh thành lên anten PIFA: Anten ngược L được tạo ra bằng cách gấp anten đơn cực, để

giảm chiều cao của anten.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

 Khi nguồn cấp dữ liệu được áp dụng cho anten ngược L, ta được loại anten mới là anten ngược F

 Dây trên cùng mỏng của anten ngược F được thay thế bằng phần tử mặt phẳng (planar) để có được anten PIFA

<i>Hnh 1: Lịch sử hnh thành anten PIFA từ anten đơn cực (Monopole)</i>

Vào năm 2016, Surender Rana, Abhishek Thakur, Hardeep Singh Saini, Rajesh Kumar, họ đã thiết kế anten F ngược (PIFA) cho thiết bị cầm tay và thiết bị khơng dây giao tiếp có cấu hGnh thấp và thiết bị theo dõi rộng đượccung cấp. anten xuất hiện rộng rãi Dải tần số từ 1,35 GHz đến 2,51 GHz với sự cải thiện, khả năng khớp trở kháng bao gồm các băng tần GPS, DCS,máy tính, 3G, 4G và WLAN / Bluetooth với VSWR 2.

2016, S. Jeevagan và cộng sự đề xuất một anten được hỗ trợ với khe cắm hGnh nơ.

Thiết kế đề xuất được chế tạo trên Rogers RT Duroid 5880. Cộng hưởng thứnhất và thứ hai lần lượt là 9,98 GHz và 10,6 GHz. Băng thông của anten được đề xuất là 1,03 GHz (9,43%) và mức tăng 3,7 dBi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>III.Lý thuyết anten PIFA1.Cấu trOc anten PIFA </b>

Anten PIFA là một anten phẳng hGnh f đảo ngược có cấu trúc như hGnh dưới đây.

<i>Hnh 2: Hnh ảnh thiết kế 3D của anten PIFA</i>

Anten được thiết kế có phần bức xạ chính là một patch mỏng , phẳng, có dạng hGnh chữ nhật đặt trên nền chất điện mơi khơng dƒn điện có hằng số điện môi và chiều cao . Miếng patch này được ghim xuống mặt phẳng nối đất (ground plane)bởi một phiến mỏng có độ rộng Ws được gọi là shorting sheet/pin (short plate) .Anten được tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc tiếp diện vi dải .

Điểm khác biệt lớn nhất của anten pifa với anten vi dải thông thườnglà sự xuất hiện của pin ở anten PIFA. Pin thường làm bằng vật liệu dƒn điệncó dạng hGnh trụ hoặc dạng tấm mỏng hGnh chữ nhât , nó có nhiệm vụ nối giữa patch với ground , nó giúp làm giảm kích thước của anten . Vị trí của pin khoảng cách của pin và feed , hay kích thước , vật liệu của các phần tử khác đều ảnh hưởng nhất định tới tần số cộng hưởng củ anten

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<i>Hnh 3: Hnh ảnh thiết kế anten PIFA nhn từ trên xuống</i>

<i>Hnh 4: Hnh ảnh thiết kế anten PIFA nhn chiếu cạnh.</i>

<b>2.ĐPc tQnh </b>

 T„ lệ hấp thụ riêng SAR (Specific absorption rate) thấp

 Băng thông hẹp : là một trong những hạn chế đối với ứng dụng thương mại của nó cho di động không dây

Trụ rút ngắn gần điểm thăm dò nguồn cấp dữ liệu của các loại PIFA thông thường là phương pháp tốt để giảm kích thước anten, nhưng điều này dƒn đến băng thông trở kháng hẹp

 Phối hợp trở kháng

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Phối hợp trở kháng đối với anten PIFA được thực hiện bằng cách xác định vi trí đặt của Feed Plate và tối ưa hóa khơng gian giữa chúng . Điều cốt lõi là khi thiết kế anten PIFA là khơng dùng bất kỳ thành phần phụnào để ghép nói mạng , vG vậy tránh được nữa t†n thất không đáng có

 Mơ hGnh điện

Có thể coi phần ngắn mạch giống như điện cảm song song với Ground , còn phần hở mạch bên trái có thể coi như những điện dung . Khoảng cách từ miếng Feed đến short pin xác định điện cảm , tương tự với nó ., khoảng cách từ miếng feed đến cạnh của patch các định điện dung

<i>Hnh 5: Mô hnh điện</i>

Những ‘’ điện cảm’’ và “điện dung “ này tạo thành mạch dao động LC daođộng với tần số f nào đó . Điều chŠnh vị trí Feed, kích thước của patch có thể cho ta được tần số cộng hưởng mong muốn

<b>3.Nguyên lý hoạt động</b>

Angten PIFA thường được thiết kế hoạt động bởi kích thước của miếng Patch bằng ¼ bước sóng cộng hưởng như hGnh 6 bên dưới. Có được đặc điểm như vậy là do sự xuất hiện của pin anten pifa, giúp giảm nhỏ kích thước của anten pifa đi ½ lần so với các anten vi giải khác (thường được cộng hưởng với kích thước patch bằng ½ lần bước sóng hoạt động). HGnh dưới đây là mặt cắt của anten Pifa nằm ngang:

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i>Hnh 6: Anten PIFA</i>

Chúng ta có một anten Pifa có chiều dài L1, chiều rộng L2, pin có chiềurộng W ban đầu ở một cạnh của Pifa. Điểm nạp cách pin một khoảng D.Anten cách mặt đất một khoảng là h. Anten được đặt trên một chất

điện môi với hàng số điện môi là €.

<i>Hnh 7: Cấu trúc anten PIFA</i>

Trở kháng của anten có thể kiểm sốt thơng qua khoảng cách D. Khoảng cách D càng nhỏ trở kháng càng giảm, trở kháng có thể được được tăng

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

lên bằng cách tăng khoảng cách D. Anten Pifa có thể điều chŠnh trở kháng bằng thơng số D này.

Tần số cộng hưởng của Pifa phụ thuộc vào W. Nếu W = L2, anten Pifa cộnghưởng (có hiệu suất bức xạ cực đại) khi:

W = L2 => L1 = λ/4Giả sử W=0 hoặc W << L2 thG Pifa cộng hưởng khi: W = 0 => L1 + L2 = λ/4

Tóm lại chúng ta có thể ước lượng độ dài cộng hưởng của Pifa như hàm củacác tham số sau:

L1 + L2 – W = λ/4

<b>4.Nguyên lý bức xạ</b>

Dạng bức xạ của anten Pifa là sự kết hợp của một anten bản vá (patch anten) và một anten F đảo ngược. Một số sửa đ†i, chẳng hạn như khe chữ U, có thể được kết hợp với Pifa để thu được nhiều cộng hưởng cần thiết trong thông tin di động.

<b> 5. Ưu điểm và nhược điểm</b>

o Ưu điểm

- Chế tạo dễ dàng, chi phí sản xuất thấp và cấu trúc đơn giản.

- Có thể ẩn vào vỏ của điện thoại di động, có thể dễ dàng đặt trong các thiết bị

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

- Ưu điểm của PIFA là giảm bức xạ ngược về phía đầu người dùng, giảm thiểu sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ (SAR) với con người, đảm bảo sự an toàn cho người sử dụng. Việc giảm thiểu sự hấp thụ sóng điện từ này giúp nâng cao hiệu suất làm việc của anten.

o Nhược điểm

- Băng thông hẹp là nhược điểm của loại anten này. Việc đặt Feed Plate và Short Plate là một cách rất tốt để giảm thiểu kích thước anten, nhưng đi cùng với nó là giảm băng thơng.

- Ngồi ra, do có kích thước nhỏ, bất kG sự sai lệch nào cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả hoạt động của anten nên khó sản xuất trong điều kiện công nghiệp chế tạo tại Việt Nam. Tuy nhiên, tùy vào thiết bị, yêu cầu thiếtkế, ta sẽ phải cân bằng giữa những ưu nhược điểm của anten PIFA để cải thiện băng thông như thay đ†i chất nền hay hằng số điện môi của vật liệu.

<b>6. Ứng dụng</b>

Với những ưu điểm của anten PIFA đã đề cập ở trên như: kích thước nhỏ so với anten nửa bước sóng, cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp có thể dễ dàng ẩn trong vào vỏ của các hệ thống di động có kích thước nhỏ và trung bGnh, nên anten PIFA là loại anten được sử dụng nhiều nhất trong cáchệ thống di động như: điên thoại, wifi, thẻ RFID, WLAN (mạng cục bộ khơng dây). Ngồi ra, anten PIFA đa băng tần có thể được sử dụng để kết hợp các nguồn cấp dữ liệu anten cho các thiết bị liên lạc không dây, hệ thống định vị vệ tinh và radio trên ô tô.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<i>Hnh 8: Antenna PIFA băng tần kép cho hệ thống wifi MIMO.</i>

<i>Hnh 9: Anten PIFA trong điện thoại di động</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>V.Thiết kế anten PIFA1. TQnh tốn các thơng số</b>

Bài tốn: Thiết kế anten PIFA hoạt động tại hai băng tần tại 1.8 GHz và 3.7 GHz

- Chọn anten PIFA khe chữ L để thiết kế, tức là chèn thêm khe có hGnh dạngchữ L vào miếng patch

- Cấu tạo của anten gồm:

 Mặt phẳng GND hGnh chữ nhật kích thước 50mmx100mm

 Đế điện môi FR4_epoxy với hăng sô điện môi Ɛ’=4.4, hệ sô t†n hao vật liệu tanδ = 0.025. Đế điện mơi có dạng hGnh hộp chữ nhật với kích thước đáy là 30mm x 50mm, bế dày Ts. Đế điện môi được đặt ở chiếu cao Hs so với mặt phẳng đầt.

 Miếng patch hGnh chữ nhật với kích thước L x W, năm trến đế điện môi FR4_epoxy

 Khe chữ L được chia thành 2 phần: khe dọc và khe ngang. Khe dọc hGnh chữ nhật có kích thước L2 x grosorv, khe ngang hGnh chữ nhật có kích thước là L3 x grosorh

 Anten được tếp điện băng cáp đơng trục băng đơng có trở kháng đặctnh là 50 ơm, có đườngn kính ngồi D = 1.4mm, đường kính lõi d = 0.6mm. Các thơng số được tính toán trên trang web

class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<i>Hnh 10: Cấu trúc của anten PIFA </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

- Tính tốn các thơng số của anten Với anten PIFA khe chữ L hoạt động ở hai băng tần ta có cơng thức tính tần số như sau:

Hs là chiều cao của tấm điện môi so với mặt phẳng đất Ts là bề dày của tấm điện môi

- Để thỏa mãn yêu cầu bài toán, chọn hai giá trị f=1.8 Ghz, F=3.7GHz

- Tiếp theo ta tính được L2+L3 = 19mm- Ta tính được L + W + h = 39mm

Từ đó ta tính tốn được các thơng số cịn lại của cầu trúc anten khe

<b>chữ L, được cho bởi bảng sau: </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<i>Hnh 11:Bảng thông số anten PIFA</i>

Chú ý:

Ngồi các thơng số của anten được tính tốn bởi công thức, thG cácthông sô khác như độ rộng của miếng short plate (w), khoảng cách từshort plate đến feed plate (r) cũng ảnh hưởng đến tần số hoạt động củaanten.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

 Sau đó, đ†i vật liệu cho đế điện môi thành FR4_epoxy, gán vậtliệu cho mặt phẳng đầt, miếng patch và short plate là đồng. Tạo khe chữ L

Ta vẽ 2 hai hGnh chữ nhật là khe dọc và khe ngang, sau đóUnite hai hGnh này lại.

Để tạo khe chữ L, ta dùng công cụ Subtract để tạo khe chữ Ltrong miếng patch

 Tiếp điện cho anten

Vẽ cáp đơng trục với đường kính ngồi D = 1.4 mm, đườngkính lõi d=0.6 mm.

Để tiếp điện, ta vẽ một hGnh trịn nằm ở đáy của cáp đơng trục,có tâm trùng với cáp đồng trục và có đường kính bằng D’= 0.7 mm. Sau đó dùng cơng cụ lumped port, vẽ một đường thẳng từ vịng ngồi.

 Tạo miền bức xạ cho anten Cài đặt tần số hoạt động cho anten Kiểm tra và chạy mô phỏng

<i>Hnh 12: Anten pifa được thiết kế bằng phần mềm HFSS</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

- Cuối cùng chạy mô phỏng, và ta thu được kết quả đồ thị S(1,1) như hGnh:

<i>Hnh 13: Đồ thị S(1,1) của anten</i>

Ta thấy anten hoạt động tại hai băng tần 1.8GHz và 3.7GHz, thỏa mãn yêucầu bài toán đưa ra.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO</b>

<b>1. Do You Know Your PIFAs? (lairdconnect.com)</b>

<b>4. Pimienta-Del Valle Domingo & Lagar-Perez Raidel, “Design of aDual-Band PIFA for Handset Devices and it Sar”, 2015. </b>

<b>5. Nahla Ali Tomah, Fadhel Abd Alzahra, Faris Mohammed Ali, ”PIFA Antenna Design for 5G Wireless Application”, 2020.</b>

</div>