Thiết kế anten vi dải tự cấu hình hoạt động ở tần số 1.8 GHz hoặc 2.4 GHz và 1.8 hoặc 0.9GHz

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................................2

Phần 1.........................................................................................................................................3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN..................................................................................................3
1.1 Khái niệm về anten................................................................................................................3
1.2 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten.........................................................................................3
1.3 Giới thiệu về anten tự cấu hình..............................................................................................4
1.4 Đặc tính của anten tự cấu hình...............................................................................................4
1.5 Các loại anten tự cấu hình......................................................................................................4
1.5.1 Anten tự cấu hình tần số.................................................................................................4
1.5.2 Anten cấu hình bức xạ....................................................................................................4
1.5.3 Anten cấu hình phân cực.................................................................................................4
1.5.4 Anten tự cấu hình phối hợp.............................................................................................4
1.6 Công nghệ chuyển mạch anten..............................................................................................4
1.6.1 Chuyển mạch diode PIN.................................................................................................4
1.6.2 Chuyển mạch Transistor trường (FET)...........................................................................4
1.6.3 Chuyển mạch cơ khí.......................................................................................................4
1.7 Anten vi dải............................................................................................................................4
1.7.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải...........................................................4
1.7.2 Công thức tính toán.........................................................................................................4
1.7.4 Các thông số cơ bản của anten cấu hình.......................Error! Bookmark not defined.

Phần 2.........................................................................................................................................4
THIẾT KẾ ANTEN TỰ CẤU HÌNH TẦN SÔ...............................................................................4
2.1 Giới thiệu...........................................................................................................................4
2.2 Thiết kế.............................................................................Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN....................................................................................Error! Bookmark not defined.

1

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin đã xuất hiện từ khi con người biết dùng lửa, tiếng động, âm
thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát triển
nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế là
nhanh, chính xác và liên lạc trong khoảng cách xa.
Đóng góp vào thông tin liên lạc không thể không kể tới vai trò của anten,
một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu. Để đáp ứng nhu cầu thông
tin liên lạc ngày càng phát triển thì công nghệ cũng phát triển theo xu hướng của
thời đại là nhỏ gọn đa ứng dụng. Đây là những điều tất yếu và anten cũng vậy nó
cũng phải nhỏ gọn để đáp ứng yêu cầu trên. Chính vì vậy mà anten vi dải đã
phát triển từ những năm 70. Đặc điểm nổi bật của anten này là nhỏ gọn, dễ chế
tạo và có độ định hướng tương đối cao và đặc biệt là dễ tích hợp với hệ thống xử
lí tín hiệu.
Nội dung của bài báo cáo gồm 2 phần.
Phần 1: Giới thiệu tổng quan về anten tự cấu hình trong đó tập trung trình
bày lí thuyết về anten, phân loại anten và các công nghệ chuyển mạch anten.
Phần 2: Thực hiện thiết kế mô phỏng anten tự cấu hình sử dụng phần mềm
HFSS, các kết quả đạt được và thảo luận.
Cuối cùng đề tài trình bày về kết quả thu được và các định hướng phát triển
đề tài.
Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình làm không thể tránh được các
sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô giáo và các bạn
để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Qua đây, chúng em xin được gửi
lời cảm ơn chân thành tới cô giáo ThS. Nguyễn Thị Kim Thu đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua.

2

Phần 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN

1.1 Khái niệm về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không
gian bên ngoài. Với sự phát triển của các kĩ thuật trong thông tin, ra đa điều
khiển…cũng đòi hỏi anten không đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng
điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.
Trong trường hợp tổng quát, anten được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều
hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm
các phần tử anten ( dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo
việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau
( trường hợp anten phát ), hoặc hệ thống gia công tín hiệu ( trường hơp anten thu
).
1.2 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten
Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các
kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một
đường truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến
patch kim loại của anten vi dải. Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều
yếu tố khác nhau. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng
lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng
giữa hai phần với nhau. Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn
cong,.. cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt.
Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải
Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp
nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền
vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch. Tuy nhiên, kỹ thuật
3

này có vài hạn chế. Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi
kích thước đoạn feed line là đáng kể so với mặt bức xạ. Hình 1.1 mô tả hình
dạng và cách cấp nguồn bằng đường truyền vi dải cho anten vi dải. Cách cấp
nguồn này là cách cấp nguồn thông dụng nhất trong anten vi dải.

Hình 1. 1 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải
Cấp nguồn bằng cáp đồng trục
Cấp nguồn qua cáp đồng trục là một trong những phương pháp cơ bản nhất
để truyền tải công suất cao tần. Với cách cấp nguồn này, phần lõi của đầu cấp
nguồn được nối với mặt bức xa, phần ngoài nối với đất. Ưu điểm của cách này
là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng cấp nguồn tại mọi vị trí trên mặt
bức xạ do đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng. Tuy nhiên cách này có nhược
điểm là: Thứ nhất vì dùng đầu cấp nguồn đồng trục nên có phần ăn ra phía ngoài
làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng. Thứ hai khi cần
cấp nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế
việc chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi. Thứ ba khi cần tăng băng thông
của anten thì đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của cáp đồng
trục. Kết quả là bức xạ rò và điện cảm của cáp đồng trục tăng lên.
Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled
Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạ
không cần thiết của đường cấp nguồn vi dải. Cấu trúc bao gồm hai lớp điện môi.
4


Mặt bức xạ được đặt trên cùng, mặt đất ở giữa có một khe hở slot nhỏ, đường
truyền cấp nguồn ở lớp điện môi dưới. Thông thường thì miếng điện môi ở trên
có hằng số điện môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắm
mục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten. Tuy nhiên phương thức cấp nguồn này
khó thực hiên do phải làm nhiều lớp và làm tăng độ dày của anten. Phương pháp
cấp nguồn này thì cho băng hẹp.

Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled
Cấu trúc này gồm hai lớp điện môi, mặt bức xạ nằm ở miếng điện môi trên,
đường cấp nguồn ở giữa hai lớp điện môi. Phương thức này có ưu điểm cao đó
loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn và cho băng thông rộng hơn.

Hình 1. 2 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled
Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ. Phương
pháp này về bản chất là ghép điện dung giữa patch và đường cấp nguồn. Thông
số của hai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ
rò ở đầu cuối hở của đường truyền. Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi
thứ hai cũng mỏng hơn. Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn. Tuy nhiên
phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất.
1.3 Giới thiệu về anten tự cấu hình
Anten tự cấu hình là anten có khả năng thay đổi dạng bức xạ, phân cực
hoặc tần số hoạt động bằng các chuyển mạch (diode,transistor trường, cơ khí),
5


để phù hợp với nhiều tham số hệ thống. Do vậy, có rất nhiều mục đích để sử
dụng anten tự cấu hình. Đối với nhiều nhu cầu của hệ thống thông tin hiện đại,
anten tự cấu hình có khả năng thay đổi dạng bức xạ trên các tần số hoạt động và
phân cực khác nhau. Các nhu cầu này đòi hỏi các chức năng (như điều khiển,
các chùm lái, tìm hướng đi hoặc radar) với các điều kiện hạn chế của việc phát
và thu hiện nay.
1.4 Đặc tính của anten tự cấu hình
Anten tự cấu hình có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống
khác. Do đó, anten tự cấu hình sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng
tần từ 100 MHz đến 100 GHz. Anten tự cấu hình đã chứng tỏ là một thiết bị phát
xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một
số khuyết điểm cần được khắc phục. Anten tự cấu hình có những ưu điểm sau

đây:
- Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng
- Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt
- Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản.
- Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất
đồng thời với việc chế tạo anten.
- Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền
- Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng
- Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân
- Có thể dễ dàng thay đổi tần số hoạt động khi thay đổi các diode pin.
Với những ưu điểm vượt trội ấy mà anten tự cấu hình trở nên thích hợp cho
nhiều ứng dụng.
Tuy nhiên, anten tự cấu hình cũng có những nhược điểm như:
- Anten tự cấu hình có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai
- Một số anten tự cấu hình có độ lợi thấp
- Khả năng tích trữ công suất thấp
- Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối.
Một số ứng dụng của anten tự cấu hình có thể kể đến là:
- Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên anten tự cấu hình
thường được dùng
- Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten tự cấu hình phát xạ
- Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy anten tự cấu hình
6


để định vị
- Vũ khí thông minh dùng các anten tự cấu hình nhờ kích thước nhỏ gọn của
chúng
- GSM hay GPS cũng có thể dùng anten tự cấu hình.
1.5 Các loại anten tự cấu hình

Có rất nhiều phương pháp để triển khai thực hiện các anten tự cấu hình.
Anten dựa trên các thành phần chuyển mạch bằng điện để thay đổi các dòng bề
mặt của chúng được gọi là anten tự cấu hình theo dòng điện.Các anten dựa trên
các yếu tố chuyển mạch bằng quang học được gọi là anten tự cấu hình theo
quang học. Các anten tự cấu hình theo tính vật lí có thể được thực hiện bằng
việc thay đổi cấu trúc của anten.Cuối cùng là các anten tự cấu hình có thể được
thực hiện thông qua việc sử dụng các vật liệu thông minh như là Ferrites và
Liquid crystals`Khi thiết kế các anten tự cấu hình, chúng ta phải xác địng các
tính chất tự cấu hình (ví dụ.,tần số,dạng bức xa,tính phân cực hoặc phối hợp các
tính chất trên) cần được sửa đổi. Dựa trên những tính chất đó, các Anten tự cấu
hình được phân thành 4 loại khác nhau:
 Anten tự cấu hình tần số
 Anten tự cấu hình sự phân cực
 Anten tự cấu hình dạng bức xạ
 Anten tự cấu hình phối hợp
1.5.1 Anten tự cấu hình tần số
Anten tự cấu hình theo tần số cấu hình tần số cộng hưởng bằng cách thay
đổi cấu trúc, trong khi đó các dạng bức xạ và tính phân cực vẫn không đổi.
Anten tự cấu hình tần số ( cũng được gọi là anten có khả năng điều chỉnh tần số)
được phân thành hai loại: Liên tục và Chuyển mạch.
Anten tự cấu hình theo tần số liên tục cho phép chuyển đổi thuận lợi trong
hoặc giữa các dải hoạt động mà không bị các thay đổi đột ngột.
Anten tự cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch, bên cạnh đó, sử dụng
các loại cơ chế chuyển mạch để hoạt động ở các dải tần số riêng biệt hay tách
biệt. Các loại anten phổ biến sử dụng chung lí thuyết về hoạt động và tính tự cấu
7


hình, sự khác nhau chính là phạm vi của độ dài hiệu dụng thay đổi các hoạt động
cho phép đó thông qua các dải tần số khác nhau và các thiết bị khác nhau.

1.5.2 Anten cấu hình bức xạ
Các anten tự cấu hình dạng bức xạ có thể tự cấu hình các dạng bức xạ bằng
cách thay đổi các cấu trúc trong khi tần số cộng hưởng và phân cực không thay
đổi.
Mô hình bức xạ tự cấu hình được dựa trên các sửa đổi có chủ ý về sự phân
bố hình cầu của mô hình bức xạ. Chùm lái là ứng dụng mở rộng nhất và bao
gồm trong chỉ đạo hướng của bức xạ tối đa để tối đa hóa các anten trong một
liên kết với các thiết bị di động.
1.5.3 Anten cấu hình phân cực
Hướng của các dòng chảy trong anten có thể chuyển ngay đến phân cực
của các điện trường trong các trường xa của anten. Để đạt được khả năng tự cấu
hình phân cực, cấu trúc của anten và cấu hình cấp điện phải chuyển đổi cách làm
thay đổi dòng chảy trên anten mà không cần đến các thay đổi đặc tính riêng biệt
quan trọng của trở kháng và tần số. Tự cấu hình phân cực có thể là thay đổi giữa
các loại khác nhau của phân cực tuyến tính, giữa phân cực tròn quay phải và
phân cực tròn quay trái, giữa phân cực tuyến tính, vòng và phân cực elip.
Để thực hiện tự cấu hình phân cực phần lớn dựa theo sự tương tự trong
phần miêu tả của tự cấu hình tần số ở trên, tất nhiên cách thực hiện chúng là
khác nhau. Bởi việc chèn một chuyển mạch ( FET hay PIN diode ) vào hình
dạng của anten, bằng việc cẩn thận điều khiể hướng dòng chúng ra sẽ có thể có
được các phân cực khác nhau. Khả năng tự cấu hình cũng có đạt được tính đến
cả chuyển mạch trong các khe cấp điện kích thích hơn bề mặt của các bức xạ…

1.5.4 Anten tự cấu hình phối hợp
Khả năng của anten để tự cấu hình các đặc tính riêng biệt gồm tần số hoạt
động lựa chọn, băng tần, hướng bức xạ và phân cực được xem như là anten tự
cấu hình phối hợp. Trên lí thuyết cơ sở hoạt động của bất kì anten tự cấu hình
8

phối hợp nào đều không có sự khác biệt nào với các anten tự cấu hình thông
thường, thiết kế và điều khiển trong trường hợp này là chắc chắn phức tạp hơn.
Anten tự cấu hình phối hợp một yếu tố đơn giản nhất có sự tập trung nhất
vào một phạm vi hoạt động và các chức năng bổ sung thực hiện bằng cách điều
chỉnh cấu trúc trục. Tuy nhiên, trên cơ sở của vấn đề của việc tự cấu hình ,đặc
tính tần số và bức xạ được xác địng cùng với nhau.
1.6 Công nghệ chuyển mạch anten
Phần này đưa ra một tổng quan về các thiết bị chuyển mạch RF có sẵn để
sử dụng trong các hệ thống anten. Nó bao gồm các thiết bị chuyển mạch đã được
sử dụng trong cả hai hệ thống anten cổ điển và nhiều hơn việc triển khai tự cấu
hình.
Đặc biệt nó nghiên cứu thông thường chuyển mạch cơ khí và chuyển mạch
diode và theo đề xuất của nhà thiết kể để sử dụng trong thiết kế antentự cấu
hình.Vai trò cơ bản của bộ chuyển đổi hoặc chuyển tiếp là một thiết bị để thực
hiện hoặc phá vỡ một chuyển mạch. Trong thuật ngữ tĩnh và bán tĩnh, một
chuyển mạch đơn giản hoạt động như là một đường dẫn hoặc phá vỡ một trong
những đường dẫn. Tuy nhiên, chuyển sang hoạt động trong một hệ thống RF sẽ
còn bao gồm các tính chất điện bổ sung. Chuyển kháng, điện dung và điện cảm
dọc theo đường dẫn tín hiệu RF phải được bao gồm trong phân tích hệ thống.
Trong các hệ thống anten RF, chức năng chuyển đổi thường đòi hỏi kiểm soát và
chỉ đạo các dòng chảy của năng lượng RF cùng một con đường RF mong muốn.
Theo truyền thống, đường dẫn này có thể bao gồm bất kỳ các hệ thống con
RF dẫn đến anten mạng lưới thức phân phối cũng như các anten và trong trường
hợp mảng, bất kỳ mạng điện phân phối. Việc giới thiệu anten tự cấu hình cũng
đã bổ sung thêm chính nó vào các danh sách nơi chuyển mạch là sử dụng để
điều khiển hướng và dòng chảy của dòng RF. Không phân biệt các loại chuyển
mạch sử dụng, có một số đặc điểm quan trọng là phải được đánh giá cho tất cả
các ứng dụng RF chuyển đổi và thiết kế anten đặc biệt là tự cấu hình. Tương tự
như chuyển mạch điện, RF và chuyển mạch viba tự cấu hình cung cấp sự linh
9

hoạt để tạo ra ma trận phức tạp và tự động hệ thống thử nghiệm cho nhiều ứng
dụng khác nhau. Dưới đây là một số chuyển mạch cấu hình:
1.6.1 Chuyển mạch diode PIN
Việc chuyển mạch diode PIN là một các ứng dụng phổ biến mạch sóng viba
do thời gian chuyển đổi nhanh chóng và khả năng xử lý khá cao hiện nay. Thông
thường chuyển mạch RF điện vốn tốc độ đã bị hạn chế do quán tính và liên quan
với các tác động tiềm ẩn. Các diode PIN có thể hoạt động ở tốc độ lệnh với
cường độ nhanh hơn so với chuyển mạch cơ khí và có thể được đặt trong gói đo
một phần nhỏ kích thước của thiết bị chuyển mạch RF cơ khí. Các diode PIN
cùng với chuyển mạch trạng thái rắn khác sử dụng một điểm nối bán dẫn như
điều khiển RF yếu tố đó cho sự gia tăng tốc độ chuyển đổi và giảm gói kích
thước. Tốc độ chuyển mạch nhỏ hơn 100 ns là điển hình. Một chất lượng quan
trọng cho RF ứng dụng là một thực tế rằng nó có thể hoạt động như một kháng
gần như đối lập hoàn toàn tại tần số RF. Vùng trở kháng này có thể được thay
đổi trong một phạm vi khoảng 1-10k bởi xu hướng với một DC hoặc tần số thấp
như hiện nay. Xu hướng hiện nay cần cho vào hoạt động thường là vào thứ tự
của 10 mA. Do đó, điện năng tiêu thụ cho toàn bộ hệ thống sẽ ít khi chúng ta sử
dụng diode PIN.
Cấu trúc của diode PIN bao gồm ba khu vực cụ thể là pha tạp p, pha tạp n,
giữa các lớp nội tại ( không-pha tạp ) lớp là kẹp. Cấu trúc của diode PIN sẽ hiển
thị như sau:

Hình 1.3 Cấu trúc Diode PIN
10


1.6.2 Chuyển mạch Transistor trường (FET)
FET là một thiết bị bán dẫn, thiết bị mà tín hiệu đầu ra được điều khiển

bằng ảnh hưởng của ứng dụng trường điện áp. Thông thường, chuyển mạch PIN
diode được sử dụng như là chuyển mạch chủ yếu trong các ứng dụng chuyển
mạch anten. Nhưng đổi mới gần đây của chất liệu bán dẫn mới như công nghệ
GaAs được chứng minh là hơn hấp dẫn so với các chuyển mạch bán dẫn khác do
các lí do sau đây. Đầu tiên nó cung cấp cách ly rất tốt giữa đường dẫn RF và xu
hướng mạch. Thứ hai, tiêu thụ điện năng thấp chúng tiêu thụ gần như bằng
không điện DC trong khi hoạt động. Đặc điểm quan trọng thứ ba của chuyển
mạch là tốc độ chuyển mạch, thời gian chuyển mạch FET chỉ là một vài nano
giây. chuyển mạch FET là một thiết bị đầu cuối ba thành phần, độ sai lệch điện
áp tại các thiết bị cung cấp đầu cuối FET chuyển mạch điều khiển. Cổng chuyển
mạch có điện áp giữa không và lớn hơn các thiết bị pinch-off.
Bằng cách so sánh các đặc tính hiệu suất toàn bộ thiết bị chuyển mạch
trạng thái rắn như Transistor và diode PIN FET, có thể kết luận rằng các chuyển
mạch diode PIN có thể cung cấp các đặc tính đầy hứa hẹn cho các anten tự cấu
hình.
1.6.3 Chuyển mạch cơ khí
Do kích thước lớn của loại chuyển mạch cơ học thông thường là không
thực tế cho ứng dụng antentự cấu hình. Tuy nhiên, họ đã và đang được sử dụng
rộng rãi trong những ứng dụng RF công suất cao. Chuyển mạch cơ khí thường
được thực hiện bằng cách phá vỡ các đường dẫn của đường dây truyền tải trong
việc chuyển đổi. Các hiệu suất điện năng của thiết bị chuyển mạch cơ khí
thường tốt hơn nhiều so với các chuyển mạch trạng thái rắn. Suy hao chèn dưới
0,1 dB và sự cách ly phân lập trên 70 dB là phổ biến. Nói chung là lớn trong
kích thước họ có thể không tương thích với các bảng mạch in. Đây là khả năng
xử lý các mức công suất cao. Bởi vì chúng ta đã di chuyển các bộ phận trong hệ
thống chuyển đổi tốc độ chuyển đổi của họ là giới hạn bởi các tần số cộng
hưởng của các bộ phận cơ khí, chúng ta sẽ có ít chuyển đổi tốc độ, điều này giải
11

thích cho việc sử dụng các chuyển đổi cơ khí ở tần số thấpvà xử lý tình huống
công suất cao.
1.7 Anten vi dải
1.7.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải
Anten vi dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe, mỗi phần tử anten vi
dải đều có lớp đất, lớp bức xạ và điện môi. Lớp bức xạ được gắn trên lớp điện
môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in.

Hình 1.4 Cấu trúc anten vi dải
Các thông số cơ bản của anten vi dải là chiều dài L. chiều rộng W, bề dày
lớp điện môi, hằng số điện môi.
Có nhiều phương pháp cấp nguồn cho anten vi dải như là sử dụng cáp đồng
trục, đường truyền vi dải, ghép khe. Trong đề tài này tôi sử dụng phương pháp
cấp nguồn bằng đường truyền vi dải, phương pháp này dễ thực hiện, đường vi
dải phải có độ dài thích hợp để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ
cổng 50 Ohm tới trở kháng vào của anten.
Nguyên lí hoạt động: Sóng điện từ từ mặt bức xạ vào trong lớp điện môi,
sau đó phản xạ trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên. Trường
12


bức xạ xảy ra chủ yếu do trường giữa tấm patch và mặt phẳng đất.
1.7.2 Công thức tính toán
Anten vi dải hình chữ nhật mặt bức xạ, mặt phẳng đất và lớp điện môi ở
giữa hai mặt bức xạ trên. Kích thước của mặt bức xạ, chiều cao và hệ số điện
môi là những thông số quyết định tần số cộng hưởng của anten, nên chúng phải
được lựa chọn và tính toán chính xác.
Sau đây là các bước tính toán kích thước của anten :
 Tính toán độ rộng W của mặt bức xạ
W

c
 1
2 f0 r
2

(1.1)

 Hằng số điện môi hiệu dụng
1/2

 reff

 1  r 1 �
h�
 r

1  12 �
�
2
2 �
W�

(1.2)

 Chiều dài hiệu dụng
Leff 

c
2 f 0  reff

(1.3)

 Độ mở rộng của chiều dài

L  0.412h



reff



reff

W
�
�
 0.3 �  0.264 �
�h
�
W
�
�
 0.258  �  0.8 �
�h
�

(1.4)

Chiều dài của mặt bức xạ

L  Leff  2L

(1.5)

 Chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng đất

13


Lg �6h  L
Wg �6h  W

(1.6)

 Chiều dài và chiều rộng của đường feedline được tính theo công thức:
Wf
h



�
 r 1 �
2�
0.61 �
ln( B  1)  0.39 
�B  1  ln(2 B  1) 
�
�

�
�
2 r �
r �
�

B  5.58
Lf
 3.96
Wf

(1.7)

 Vị trí cấp tín hiệu cho anten:
y0 

L
50
Cos 1

Rin

(1.8)

Phần 2
THIẾT KẾ ANTEN TỰ CẤU HÌNH TẦN SÔ

14

2.1 Giới thiệu
Anten tự cấu hình tần số là anten có thể điều chỉnh tự động tần số hoạt
động của mình. Chúng đặc biệt hữu ích trong những tình huống mà nhiều hệ
thống thông tin liên lạc hội tụ vì nhiều anten cần thiết có thể được thay thế bằng
một anten cấu hình lại duy nhất.
Trong phần này tiến hành thiết kế và mô phỏng anten tự cấu hình tần số
hoạt động ở các cặp tần số 2.4 và 1.8 GHz; 1.8 và 0.9GHz. Từ các thiết kế của
anten cơ sở, đề xuất phương pháp khắc bề mặt vi dải và thêm vào các diode PIN
làm chuyển mạch giúp anten hoạt động ở các tần số khác nhau phụ thuộc vào
trạng thái ON/OFF của diode.
2.2 Thiết kế Anten vi dải tự cấu hình hoạt động ở tần số 1.8 GHz hoặc
2.4 GHz
a) Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở tần số 2.4 GHz
Anten vi dải hình chữ nhật được cho trên hình 2.1 tiếp điện bằng đường
truyền vi dải, miếng patch hình chữ nhật bằng đồng (copper), lớp điện môi có độ
dày h=1.6 mm làm bằng FR4-epoxy, lớp đồng dày khoảng 0.02 mm, hằng số
điện môi ɛr=4.6

Hình 2.1 Anten vi dải
Dựa vào các công thức tính toán kích thước anten được cho ở (1.1 -1.8) với
yêu cầu ban đầu là f = 2.4 GHz, ɛr=4.6 và h=1.6 mm ta tính được các thông số
anten 2.4 GHz như trình bày ở bảng 2.1
15


Bảng 2.1 Kích thước anten
Thông
số
Tính
được

W
(mm)

L
(mm)

Wf

Lf

37,689

29,097

3,122

12,363

Wg
(mm)

Lg
(mm)

47,649

39,057

y0

x0
(mm)

7.383

1.5

Từ bảng các thông số anten tần số 2.4 GHz ở bảng 2.1 ta đưa vào phần
mềm HFSS để vẽ mô phỏng hình ảnh kích thước anten được thể hiện như trên
hình 2.2.

Hình 2.2 Hình ảnh anten bằng HFSS
Dưới đây là kết quả sau khi vẽ mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số anten
cần thiết để đạt được kết quả tốt.
Kết quả mô phỏng cho thấy anten hoạt động ở tần số trung tâm là f =
2.37GHz, dải tần số hoạt động từ 2.34 GHz đến 2.4 GHz, băng thông có giá trị
60 MHz được thể hiện như trên hình 2.3.

16


Hình 2.3 Dải tần hoạt động của anten 2.4 GHz
Khảo sát kết quả Gain Total, anten này có độ lợi đạt G= 1.4784 dB được
thể hiện như trên hình 2.4.

Hình 2.4 Độ lợi anten
17

Khảo sát kết quả đồ thị Smith, trở kháng đạt Z = 1.0073 + 0.0158i, phối
hợp trở kháng ở xấp xỉ 50 đạt yêu cầu.

Hình 2.5 Phối hợp trở kháng
b) Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở tần số 1.8 GHz
Như chúng ta đã biết, nếu tăng diện tích bề mặt lớp bức xạ anten thì tần số
hoạt động của anten sẽ giảm xuống. Vì vậy phần này giữ nguyên kích thước bề
mặt đất, điện môi và chiều dài đường vi dải, tiến hành tăng diện tích bề mặt bức
xạ về phía sau của anten

Hình 2.6 Tăng mặt bức xạ cho anten
18


Khảo sát kết quả tần số hoạt động của anten sau khi được tăng về mặt bức
xạ, từ hình 2.7 cho ta thấy tần số hoạt động của anten từ 2.4 GHz về 1.8 GHz
hay nói cách khác đây là trạng thái thay đổi của anten.

Hình 2.7 Tần số hoạt động của anten
c) Thiết kế anten tự cấu hình sử dụng diode PIN, hoạt động ở tần số 1.8
GHz hoặc 2.4 GHz
Tần số hoạt động của anten đã giảm xuống từ 2.37 Ghz xuống còn 1.82
Ghz. Dựa vào nhận xét trên, tiến hành thiết kế anten tự cấu hình có thể hoạt
động độc lập ở hai tần số là 2.4GHz và 1.8GHz.
Thiết kế mô phỏng trên HFSS có dạng như trên hình 2.8

Hình 2.8 Anten tự cấu hình hoạt động 2 tần số độc lập
19

Thiết kế anten tự cấu hình: mục đích anten có thể làm việc ở 2 tần số thay
đổi:
f1= 2.4 Ghz
f2= 1.8 Ghz
2.3 Thiết kế Anten vi dải tự cấu hình hoạt động ở tần số 1.8 GHz và 0.9
GHz
a) Thiết kế Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở tần số 1.8 GHz
Dựa vào các công thức tính toán kích thước anten được cho ở (1.1 -1.8) với yêu
cầu ban đầu là f = 1.8 GHz, ɛr=4.6 và h=1.6 mm ta tính được các thông số anten
1.8 GHz như trình bày ở bảng 2.2
Bảng 2.2 Kích thước anten
Thông
số
Tính
được

W
(mm)
50,252

L
(mm)

Wf

Lf

38,979

3,122

12,363

Wg
(mm)

Lg
(mm)

60,212

48,939

y0

x0
(mm)

Từ bảng các thông số anten tần số 1.8 GHz ở bảng 2.2 ta đưa vào phần
mềm HFSS để vẽ mô phỏng hình ảnh kích thước anten được thể hiện như trên
hình 2.9.

Hình 2.9 Hình ảnh anten bằng HFSS
20


Kết quả mô phỏng cho ta thấy như sau:

Hình 2.10 Tần số hoạt động của anten
Từ đồ thị hình 2.10 cho thấy anten hoạt động ở tần số trung tâm là 1.8 GHz

với hệ số suy hao đạt được khoảng -18 dB, nhỏ hơn hệ số suy hao yêu cầu nhỏ
hơn -10 dB và băng thông của anten đạt được khoảng 40 MHz.
Khảo sát kết quả đồ thị Smith, trở kháng vào của anten đạt được là Z =
1.0758 -0.3928i, phối hợp trở kháng ở xấp xỉ 50 đạt yêu cầu.

Hình 2.11 Trở kháng vào
Khảo sát kết quả Gain Total, anten này có độ lợi cực đại đạt được là G =
0.76283 dB được thể hiện như trên hình 2.12.
21


Hình 2.12 Độ lợi
b) Thiết kế anten tự cấu hình sử dụng diode PIN, hoạt động ở tần số 0.9
GHz và 1.8 GHz
Có hai phương pháp để hai anten vừa thiết kế tự cấu hình tần số. Nếu là
anten cộng hưởng ở tần số f = 0.9 GHz để nó cộng hưởng lên tần số 1.8 GHz thì
chúng ta thu hẹp mặt Patch và thêm các diode PIN vật liệu PEC. Khi diode ở
chế độ ON thì anten cộng hưởng ở tần số 1.8 GHz, còn khi diode ở chế độ OFF
thì anten cộng hưởng ở tần số 0.9 GHz. Với anten cộng hưởng ở tần số 1.8 GHz
để về 0.9 GHz thì mở rộng mặt Patch rồi sau đó thêm các diode. Sau đây chúng
tôi sẽ mô phỏng và thiết kế anten tự cấu hình từ tần số 1.8 GHz về 0.9 GHz.
Thiết kế anten tự cấu hình: mục đích anten có thể làm việc ở 2 tần số thay
đổi:
f1= 1.8 Ghz
f2= 0.9 Ghz
Tiến hành thiết kế mô phỏng anten trên phần mềm HFSS có dạng như trên
hình 2.13.

22

Hình 2.13 Anten tự cấu hình hoạt động 2 tần số độc lập
Kết quả mô phỏng cho thấy như sau:
 Khi diode PIN ở chế độ OFF
Chúng ta có thể thấy khi diode ở chế độ OFF thì anten cộng hưởng ở tần
số f = 1.8 GHz , kết quả mô phỏng được thể hiện như trên hình 2.14.

Hình 2.14 Tần số làm việc của anten khi diode pin OFF
23


Khi diode ở trạng thái OFF thì anten làm việc ở tần số f = 1.8 GHz, lúc
này trở kháng của anten là

xấp xỉ 50 đạt yêu cầu, kết quả mô phỏng được thể

hiện như trên hình 2.15.

Hình 2.15 Trở kháng vào
Khảo sát kết quả Gain Total, anten này có độ lợi cực đại đạt được là G =
7.6283 dB và hướng bức xạ tập trung chủ yếu tại đỉnh của anten, kết quả mô
phỏng được thể hiện qua hình 2.16.

Hình 2.16 Độ lợi
24


 Khi diode PIN ở chế độ ON
Dưới đây là kết quả sau khi vẽ mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số anten
cần thiết để đạt được kết quả tốt.

Hình 2.17 Tần số làm việc của anten khi diode pin OFF.
Nhìn vào hình 2.17 ta thấy, khi diode PIN ở trạng thái ON thì anten sẽ làm
việc ở tần số 0.9 GHz hay nói cách khác đây chính là trạng thái thay đổi của
anten với hệ số suy hao đạt được khoảng -13.8 dB, nhỏ hơn hệ số suy hao yêu
cầu nhỏ hơn -10 dB và băng thông của anten đạt được khoảng 50 MHz
Khi diode ở trạng thái ON, tức là lúc này anten làm việc ở tần số f = 0.9
GHz. Khi đó trở kháng của anten là gần 50 đạt yêu cầu, kết quả mô phỏng được
thể hiện như trên hình 2.15.

25