GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Đề tài tự chọn cần tuân thủ hướng dẫn của giáo viên, đảm bảo tính ứng dụng thực tiễn và giá trị cao về hiệu suất sử dụng cũng như tính phổ biến Quan trọng là sản phẩm thực nghiệm phải có khả năng đo đạt được tính thực tế, nhằm mang lại những lợi ích thiết thực cho người dùng.
Tôi có thể áp dụng kiến thức lý thuyết và kỹ thuật thiết kế anten để tạo ra anten riêng Điều này cho phép tôi định hình các thiết kế anten dựa trên tần số hoạt động và các loại anten cơ bản trong thực tế.
Vì vậy, tôi muốn phát triển một loại anten có khả năng hoạt động hiệu quả trên các dải băng tần 4G, đồng thời đảm bảo đạt được các thông số cao và hiệu suất thực nghiệm tốt.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các giải pháp nhằm giảm kích thước anten vi dải, đồng thời cải thiện các tham số quan trọng như hệ số tăng ích, băng thông, hệ số phản xạ và hiệu suất tổng Việc áp dụng cấu trúc DGS kép cũng được xem xét để nâng cao một số thông số của anten, mang lại hiệu quả tối ưu trong thiết kế anten hiện đại.
Nghiên cứu nhằm tìm kiếm giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO, đồng thời nâng cao các thông số cơ bản như hệ số tăng ích, băng thông, hệ số phản xạ và hiệu suất tổng Việc áp dụng cấu trúc DGS kép được xem là phương pháp hiệu quả để cải thiện một số thông số của anten, góp phần tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Anten đơn và anten MIMO, có cấu trúc vật liệu đơn giản và dễ chế tạo.
Băng tần truyền thông được sử dụng là 4G và LTE Advanced: 3.5 GHz
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu bao gồm việc thu thập thông tin về các phạm vi băng tần 4G và tính phổ biến của chúng trên toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam Điều này liên quan đến việc tham khảo các bài viết, sách thiết kế, hình ảnh, video về cách thiết kế, tính toán và tối ưu hóa anten vi dải và anten MIMO Ngoài ra, việc tham khảo ý kiến từ bạn bè cùng lớp và giáo viên hướng dẫn cũng là một phần quan trọng trong quá trình nghiên cứu.
Phương pháp mô phỏng là quá trình thu thập thông tin về thiết kế và mô phỏng kết quả của anten trên phần mềm chuyên dụng Điều này bao gồm việc tham khảo tài liệu, sách thiết kế, hình ảnh, video liên quan đến việc mô phỏng, tính toán và tối ưu hóa anten vi dải và anten MIMO theo lý thuyết.
Phương pháp thực nghiệm trong việc thiết kế anten vi dải hay anten MIMO bao gồm việc tối ưu hóa các kết quả mô phỏng và sử dụng các vật liệu dễ tìm trên thị trường Qua kinh nghiệm từ những lần thất bại, người thiết kế có thể tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh Sau khi hoàn thiện anten, kiến thức đã học sẽ được áp dụng để đo lường và tính toán lại các thông số cùng kích thước của anten, từ đó đánh giá và cải thiện chất lượng sản phẩm.
Kết cấu của đề tài
Đề tài của tôi gồm 8 chương:
Chương I của đề tài trình bày lý do chọn lựa đề tài nghiên cứu, xác định mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, cũng như phương pháp nghiên cứu được áp dụng Đồng thời, chương này cũng nêu rõ kết cấu của đề tài nhằm tạo cơ sở cho việc triển khai các nội dung tiếp theo.
Chương II trình bày một cái nhìn tổng quan về anten vi dải (Microstrip Antenna), bao gồm các nghiên cứu liên quan đến đề tài, các khái niệm lý thuyết cần thiết cho việc nghiên cứu, cũng như các linh kiện được sử dụng trong đề tài này Những thông tin này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của anten vi dải mà còn cung cấp cơ sở để phát triển và ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.
Chương III: Các kỹ thuật nghiên cứu (Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch, sơ đồ nguyên lý).
Chương IV: Thiết kế và mô phỏng Anten vi dải 3.5 GHz ( Chưa được tối ưu) (Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch, sơ đồ nguyên lý).
Chương V: Thiết kế và mô phỏng Anten vi dải 3.5 GHz (Đã được tối ưu) (Thi công mạch phần cứng, mạch thực tế, kết quả kiểm thử mạch).
Chương VI: Thiết kế và mô phỏng Anten MIMO 3.5 GHz (Thi công mạch phần cứng, mạch thực tế, kết quả kiểm thử mạch).
Chương VII: Kết quả thi công và thực nghiệm (nnnnjjjjjj)
Chương VIII: Kết luận và kiến nghị (nnnnjjjjjj)
TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA)
Giới thiệu Anten vi dải (Microstrip Antenna)
Anten vi dải đã thu hút sự chú ý đáng kể từ những năm 1970, mặc dù khái niệm về anten vi dải có nguồn gốc từ năm 1953 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1955.
Anten vi dải, như mô tả trong Hình 2.1(a), bao gồm một dải kim loại mỏng (Mặt bức xạ) được đặt cách mặt đất một khoảng nhỏ hơn bước sóng không gian tự do (h ≪ λ 0) Miếng dán vi dải được thiết kế với hình dạng tối ưu để phù hợp với bộ tản nhiệt mặt rộng, thông qua việc lựa chọn chế độ kích thích phù hợp bên dưới miếng dán Đối với miếng dán hình chữ nhật, chiều dài L thường nằm trong khoảng λ 0 /3 < L < λ 0 /2 Dải và mặt phẳng nền được ngăn cách bởi một tấm điện môi, gọi là chất nền, như thể hiện trong Hình 2.1(a).
Bảng 2.1: Chất nền điển hình và các thông số của chúng.
Nhiều chất nền có thể được sử dụng trong thiết kế anten vi dải, với hằng số điện môi thường nằm trong khoảng 2,2 đến 12 Chất nền lý tưởng cho hiệu suất anten tốt là chất nền dày với hằng số điện môi thấp, mang lại hiệu quả tốt hơn, băng thông lớn hơn và các trường liên kết lỏng lẻo, mặc dù kích thước phần tử lớn hơn Ngược lại, chất nền mỏng với hằng số điện môi cao thường được sử dụng cùng với mạch cộng hưởng, giúp giảm thiểu bức xạ và tương hỗ không mong muốn, dẫn đến kích thước phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên, do tổn thất lớn hơn, chúng kém hiệu quả và có băng thông tương đối nhỏ hơn.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho anten vi dải, cần phải phối hợp chặt chẽ với thiết kế mạch cộng hưởng, nhằm đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất anten và các yếu tố kỹ thuật khác.
(b) Kích thước mặt bên (c) Hệ tọa độ cho mỗi khe phát xạ
Hình 2.1: Hệ tọa độ và anten vi dải.
Anten vi dải, thường được gọi là anten dán, có thể có nhiều hình dạng khác nhau như hình vuông, hình chữ nhật, dải mỏng (lưỡng cực), hình tròn, hình elip, hoặc hình tam giác Trong số đó, hình vuông, hình chữ nhật, lưỡng cực và hình tròn là phổ biến nhất do tính dễ dàng trong phân tích và chế tạo, cũng như đặc tính bức xạ hấp dẫn, đặc biệt là khả năng bức xạ phân cực chéo thấp.
Hình 2.2: Hình dạng phổ biến của các miếng dán vi dải. Ưu điểm :
Kết cấu đơn giản của công nghệ mạch in hiện đại cho phép ứng dụng trên cả bề mặt phẳng và phi phẳng, mang lại hiệu quả sản xuất cao với chi phí thấp Khi được gắn trên các bề mặt cứng, nó thể hiện sức mạnh cơ học vượt trội và tương thích tốt với các thiết kế MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) Hơn nữa, công nghệ này rất linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực, lấy mẫu và trở kháng, đáp ứng đa dạng nhu cầu trong các ứng dụng khác nhau.
Bằng cách thêm tải giữa miếng dán và mặt đất, như chân và điốt varactor, có thể thiết kế các phần tử thích ứng với tần số cộng hưởng, từ đó điều chỉnh trở kháng, phân cực và mẫu.
Hiệu suất và công suất của hệ thống thường rất thấp, với độ tinh khiết phân cực kém và băng thông tần số hạn chế, thường chỉ đạt một phần trăm Tuy nhiên, việc tăng chiều cao của chất nền có thể cải thiện hiệu quả lên tới 90% và băng thông khoảng 35% Mặc dù vậy, khi chiều cao tăng, sóng bề mặt không mong muốn có thể xuất hiện, làm giảm công suất sẵn có cho bức xạ trực tiếp.
Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải
Có nhiều phương pháp cấp nguồn cho anten vi dải, trong đó bốn loại phổ biến nhất bao gồm: tiếp điện qua đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling), và tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling).
2.2.1 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải (Microstrip line feed): Đường dẫn vi dải cũng là một dải dẫn điện, thường có chiều rộng nhỏ hơn nhiều so với miếng dán Nguồn cấp dữ liệu dòng vi dải thường dễ chế tạo, đơn giản để khớp nối bằng cách kiểm soát vị trí chèn và khá đơn giản để tạo mô phỏng Tuy nhiên khi bề dày lớp nền tăng, sóng bề mặt và bức xạ nguồn cấp dữ liệu giả tăng, điều này đối với các thiết kế thực tế làm giảm băng thông (thường là 2–5%).
Hình 2.3: Tiếp điện dùng đường truyền vi dải và mạch tương đương.
2.2.2 Tiếp điện dùng cáp đồng trục (Probe feed):
Nguồn cấp sử dụng dây cáp đồng trục, với dây dẫn bên trong được kết nối với miếng dán bức xạ, trong khi dây dẫn bên ngoài liên kết với GND.
Phương pháp này rất phổ biến nhờ vào việc dễ dàng chế tạo và kết hợp nguồn cấp dữ liệu, đồng thời có bức xạ giả thấp Tuy nhiên, nó gặp phải hạn chế về băng thông và khó khăn trong việc mô phỏng, đặc biệt khi làm việc với chất nền dày (h > 0,02 λ 0).
Cả đường truyền vi dải và cáp đồng trục đều gặp phải sự bất đối xứng tự nhiên, dẫn đến các chế độ bậc cao gây ra bức xạ phân cực chéo Để khắc phục những vấn đề này, người ta thường sử dụng các phương pháp ghép khe và ghép gần trong quá trình tiếp điện.
Hình 2.4: Tiếp điện dùng cáp đông trục và mạch tương đương.
2.2.3 Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe hay ghép nối khẩu độ
Khớp nối khẩu độ là một trong những phương pháp chế tạo khó khăn nhất và có băng thông hẹp, nhưng lại dễ mô phỏng hơn với mức bức xạ giả vừa phải Cấu trúc của nó bao gồm hai lớp điện môi, với patch đặt trên cùng và mặt phẳng đất ở giữa, có khe hở nhỏ Khe ghép được đặt dưới và chính giữa bản kim loại nhằm giảm thiểu phân cực chéo nhờ tính đối xứng, trong khi đường tiếp điện nằm ở lớp điện môi dưới Thông thường, lớp điện môi trên có hằng số điện môi thấp hơn lớp bên dưới, giúp hạn chế bức xạ không mong muốn.
Hình 2.5: Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe và mạch tương đương.
2.2.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần hay ghép nối tiệm cận
Phương pháp này sử dụng ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và patch, với cấu trúc bao gồm hai lớp điện môi Đường patch được đặt trên miếng điện môi nằm giữa hai lớp này Ưu điểm của phương pháp là loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện và cung cấp băng thông rộng khoảng 13%.
Nhược điểm của thiết kế này là khó khăn trong việc thi công, do đường tiếp điện nằm trong hai lớp điện môi, dẫn đến việc anten có chiều dày lớn hơn và quá trình chế tạo trở nên phức tạp hơn.
Hình 2.6: Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần và mạch tương đương.
Mô hình đường truyền vi dải
Miếng dán hình chữ nhật hiện nay là mô hình phổ biến nhất, dễ dàng phân tích thông qua mô hình đường truyền và mô hình cáp đồng trục, đặc biệt chính xác cho chất nền mỏng Trong bài viết này, tôi sẽ tập trung vào mô hình đường truyền do những lợi ích vượt trội mà nó mang lại.
Mô hình đường truyền, mặc dù dễ sử dụng, lại cho kết quả kém chính xác và thiếu tính linh hoạt Tuy nhiên, nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các thông số của anten vi dải hình chữ nhật, có thể được mô hình hóa như một mảng gồm hai khẩu độ hẹp bức xạ (khe) với chiều rộng W và chiều cao h, cách nhau khoảng L Mô hình này sử dụng đường truyền để đại diện cho anten vi dải thông qua hai khe, được phân tách bởi một đường truyền Zc với trở kháng thấp và chiều dài L.
Kích thước của miếng dán vi dải có giới hạn cả về chiều dài và chiều rộng, dẫn đến sự xuất hiện của các đường viền ở các cạnh Viền này phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài miếng dán L và chiều cao h của chất nền (L/h) cùng với hằng số điện môi ε r Khi L/h ≫ 1, viền giảm bớt nhưng vẫn cần tính đến vì ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten Đối với đường truyền vi dải, đường sức điện trường chủ yếu nằm trong chất nền, đặc biệt khi W/h ≫ 1 và ε r ≫ 1, làm cho đường truyền trông rộng hơn về mặt điện Hằng số điện môi hiệu dụng 𝜀 được sử dụng để tính đến sự truyền sóng trong đường dây, với giả định dây dẫn trung tâm được đặt trên bề mặt điện môi.
Hằng số điện môi hiệu dụng được định nghĩa là hằng số điện môi của vật liệu điện môi đồng nhất, sao cho đặc điểm điện của nó giống hệt với đường thực trong các ứng dụng cụ thể Giá trị của hằng số điện môi hiệu dụng thường nằm trong khoảng 1 < reff < ε r, và gần với hằng số điện môi thực tế ε r của chất nền khi chất nền có hằng số điện môi lớn hơn nhiều so với 1 Hằng số điện môi hiệu dụng cũng phụ thuộc vào tần số; khi tần số tăng, đường sức điện trường tập trung chủ yếu ở chất nền, khiến cho hằng số điện môi hiệu dụng tiến gần hơn đến giá trị của chất nền Các biến thể của hằng số điện môi hiệu dụng theo tần số cho thấy rằng ở tần số thấp, giá trị này hầu như không đổi, trong khi ở tần số trung gian, nó bắt đầu tăng và cuối cùng tiệm cận với hằng số điện môi của chất nền.
(a) Đường truyền vi dải (b) Đường sức điện trường
(c) Hằng số điện môi hiệu dụng
Hình 2.7: Đường truyền vi dải và đường sức điện trường của nó và dạng hình học hằng số điện môi hiệu dụng.
Hình 2.8: Hằng số điện môi hiệu dụng so với tần số đối với các chất nền điển hình.
2.3.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng:
Do hiệu ứng viền, miếng dán của anten vi dải có kích thước lớn hơn kích thước vật lý thực tế Điều này được thể hiện trong mặt phẳng E (mặt phẳng xy) như trong Hình 2.9, trong đó chiều dài của miếng dán được mở rộng ở mỗi đầu một khoảng ΔL, phụ thuộc vào hằng số điện môi hiệu dụng ε reff và tỷ số chiều rộng trên chiều cao (W/h).
Hình 2.9: Độ dài và hiệu ứng độ dài vật lý của miếng dán hình chữ nhật.
Một quan hệ gần đúng rất phổ biến và thực tế cho phần mở rộng chuẩn hóa của độ dài là
Chiều dài hiệu dụng của miếng dán đã được điều chỉnh thành L = λ/2 cho chế độ TM 010 ưu thế, sau khi kéo dài thêm ΔL ở mỗi bên.
Trong chế độ TM 010, tần số cộng hưởng của anten vi dải phụ thuộc vào chiều dài của nó, được mô tả bởi công thức L eff = L + 2 ∆ L (2.3).
Tốc độ ánh sáng trong không gian tự do được ký hiệu là v₀, tuy nhiên, công thức (2.4) không tính đến hiệu ứng viền Do đó, cần điều chỉnh công thức này để bao gồm các hiệu ứng cạnh và thực hiện các phép tính phù hợp.
Hệ số q, hay còn gọi là hệ số cạnh, ảnh hưởng đến chiều dài và sự phân cách giữa các cạnh tỏa nhiệt Khi chiều cao chất nền tăng, viền cũng gia tăng, dẫn đến tần số cộng hưởng thấp hơn Tần số cộng hưởng thiết kế dựa trên viền sẽ giảm khi miếng vá dài hơn, như thể hiện trong Hình 2.8 Sự giảm tần số cộng hưởng do có cạnh thường dao động từ 2–6%.
Mỗi khe bức xạ được mô tả bằng một dẫn nạp Y, bao gồm điện dẫn G và điện nạp B, như thể hiện trong Hình 2.10 với một khe có bề rộng hữu hạn.
Trong đó cho một khe có chiều rộng hữu hạn W, ta có
Vì vị trí số 2 giống hệt với vị trí số 1 nên khả năng chấp nhận tương đương của nó là Y 1 =Y 2 ;G 1 =G 2 ;B 1 = B 2
(a) Miếng dán hình chữ nhật (b) Mô hình truyền tải tương đương
Miếng dán hình chữ nhật và mô hình đường truyền mạch tương đương của nó được thể hiện trong Hình 2.10 Độ dẫn của một khe đơn có thể được xác định thông qua biểu thức trường từ mô hình khe Thông thường, điện dẫn được tính bằng công thức nhất định.
| V 0 | 2 (2.7) Với P rad là công suất bức xạ:
Do đó, điện dẫn G 1 có thể được biểu diễn lại:
2.3.4 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng:
Tổng trở tiếp nhận tại điểm tiếp nhận đầu vào được xác định bằng cách chuyển mức dẫn nạp từ thiết bị đầu ra đến thiết bị đầu vào thông qua phương trình chuyển đổi dẫn nạp của đường truyền Hai khe lý tưởng nên cách nhau λ/2, với λ là bước sóng trong chất điện môi Tuy nhiên, do chiều dài của miếng dán tiếp điện thường dài hơn chiều dài thực tế, sự tách biệt thực tế giữa hai khe sẽ nhỏ hơn λ/2 Việc lựa chọn đúng cách giảm độ dài là rất quan trọng.
(thường là 0,47λ < L < 0,49λ), điện dẫn được biến đổi của vị trí số 2 trở thành
Do đó, tổng dẫn nạp đầu vào cộng hưởng là giá trị thực và được đưa ra bởi
Vì tổng trở đầu vào là giá trị thực, trở kháng đầu vào cộng hưởng cũng là giá trị thực nên
Tổng trở đầu vào cộng hưởng, theo (2.10), không xem xét sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các khe Để khắc phục điều này, cần điều chỉnh công thức (2.10) cho phù hợp.
Công thức 2( G 1 ±G 12 ) (2.10 a) mô tả cách sử dụng dấu cộng (+) cho các chế độ điện áp cộng hưởng lẻ (phản đối xứng) dưới miếng vá và giữa các khe, trong khi dấu trừ (-) được áp dụng cho các chế độ điện áp cộng hưởng chẵn (đối xứng) Bên cạnh đó, điện dẫn tương hỗ cũng được xác định trong ngữ cảnh này.
Điện trường E1 được phát sinh từ khe số 1, trong khi từ trường H2 được tạo ra từ khe số 2 Điện áp V0 được đo qua khe, và quá trình tính toán diễn ra trên một hình cầu có bán kính lớn Từ đó, ta có thể tính toán giá trị G12 một cách chính xác.
0 π [ sin ( k cos 0 2 W θ cos θ ) ] 2 J 0 ( k 0 Lsin θ ) ( sin θ ) 3 dθ (2.11 a)
Mô hình sử dụng cáp đồng trục
Anten vi dải hoạt động như các hốc chứa chất điện môi, thể hiện sự cộng hưởng bậc cao hơn Các trường chuẩn hóa trong chất nền điện môi có thể được xác định chính xác hơn khi xem vùng đó như một khoang giới hạn bởi các dây dẫn điện và bức tường từ tính, mô phỏng mạch hở Mô hình này dẫn đến trở kháng đầu vào phản kháng, không bức xạ công suất nào Tuy nhiên, nếu các trường thực tế gần giống với mô hình, mẫu tính toán, dẫn nạp vào và tần số cộng hưởng sẽ tương thích tốt với các phép đo Cách tiếp cận này tương tự như các phương pháp thành công trong phân tích ống dẫn sóng, cáp đồng trục và bộ tản nhiệt.
Hình 2.13 minh họa sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên miếng dán vi dải Khi miếng dán được cung cấp năng lượng, điện tích được phân bố trên bề mặt trên, dưới và mặt phẳng đất Phân phối điện tích được kiểm soát bởi hai cơ chế: cơ chế hấp dẫn giữa các điện tích trái dấu ở mặt dưới và mặt phẳng, và cơ chế đẩy giữa các điện tích giống nhau trên bề mặt dưới, dẫn đến việc một số điện tích được đẩy lên bề mặt trên Sự chuyển động này tạo ra mật độ dòng điện J b và J t tại các bề mặt tương ứng Do tỷ lệ chiều cao - chiều rộng nhỏ, cơ chế hấp dẫn chiếm ưu thế, khiến phần lớn điện tích và dòng điện nằm bên dưới miếng dán, trong khi một lượng nhỏ dòng điện chạy lên bề mặt trên Khi tỷ lệ chiều cao - chiều rộng giảm, dòng điện tới đỉnh cũng giảm, lý tưởng là không tạo ra thành phần từ trường tiếp tuyến nào Điều này cho phép các bức tường bên được coi như bề mặt dẫn từ hoàn hảo, không làm nhiễu từ trường và phân bố điện trường bên dưới miếng dán Mặc dù tỷ lệ chiều cao - chiều rộng hữu hạn dẫn đến từ trường tiếp tuyến không bằng không, nhưng nó vẫn nhỏ, cho phép mô hình cáp đồng trục coi các thành bên là vật dẫn từ tính hoàn hảo, tạo ra phân phối điện trường và từ trường chuẩn hóa tốt bên dưới miếng dán.
Trường viền là một cơ chế giải thích sự bức xạ của anten vi dải Khi xem xét hình chiếu mặt bên của anten vi dải, dòng điện tại đầu miếng dán bằng 0, dẫn đến dòng điện cực đại ở tâm miếng dán nửa sóng Giá trị dòng điện thấp tại nguồn cấp góp phần vào việc tăng trở kháng khi cấp nguồn ở cạnh đầu Anten vi dải có thể được coi như một đường truyền hở mạch, với hệ số phản xạ điện áp bằng 1, khiến điện áp và dòng điện lệch pha Tại cuối miếng dán, điện áp đạt cực đại, trong khi ở trung tâm, điện áp là nhỏ nhất Các trường bên dưới miếng dán thể hiện gần như viền của các trường xung quanh các cạnh.
(a) Không có viền (a) Có viền
Hình 2.14: Mặt bên của anten vi dải, không có và có viền.
Các trường viền ở các cạnh của anten vi dải là nguyên nhân chính gây ra bức xạ, với các trường này ở hai đầu của anten đều hướng theo chiều y Sự cộng hưởng pha của điện trường trên các cạnh trước và sau của anten dẫn đến việc phát sinh bức xạ Mặc dù dòng điện trên miếng dán cũng tăng theo pha, nhưng dòng điện ngược chiều trên mặt đất sẽ hủy bỏ bức xạ, giải thích tại sao anten vi dải có khả năng bức xạ trong khi đường truyền vi dải thì không Bức xạ của anten vi dải chủ yếu xuất phát từ sự phân bố điện áp thuận, cho thấy rằng bức xạ liên quan đến điện áp chứ không phải dòng điện, vì vậy miếng dán được coi là “bộ tản nhiệt điện áp”, khác với anten dây, vốn là “bộ tản nhiệt dòng điện”.
Hằng số điện môi ε r của chất nền ảnh hưởng trực tiếp đến trường viền; khi ε r nhỏ, trường viền lớn hơn, cho phép tạo ra bức xạ hiệu quả hơn Ngược lại, trong các ứng dụng không mong muốn bức xạ, như trong đường truyền, giá trị ε r cao là cần thiết để giảm thiểu viền, dẫn đến hiệu suất bức xạ thấp hơn, lý tưởng là bằng không.
Độ dày nhỏ của miếng dán dẫn đến việc các sóng trong chất nền điện môi phản xạ đáng kể khi đến rìa miếng dán, chỉ cho phép một phần nhỏ năng lượng được bức xạ, khiến anten trở nên kém hiệu quả Các trường bên dưới miếng dán tạo thành sóng đứng, có thể mô tả bằng hàm sóng hình sin Với chiều cao chất nền nhỏ (h ≪ λ, trong đó λ là bước sóng), biến thể trường dọc theo chiều cao được coi là không đổi Hơn nữa, do chiều cao nhỏ, đường viền của trường ở các cạnh miếng dán cũng rất nhỏ, khiến điện trường gần như bình thường đối với bề mặt miếng dán.
TM x sẽ được phân tích trong lỗ khoang Trong khi các bức tường trên và dưới của khoang dẫn điện hoàn toàn, bốn bức tường bên sẽ được mô phỏng như những bức tường từ tính hoàn hảo, với từ trường tiếp tuyến biến mất dọc theo các bức tường này.
2.4.1 Cấu hình trường (chế độ) - TM x :
Cấu hình trường bên trong khoang có thể xác định thông qua phương pháp tiếp cận điện thế vectơ Như minh họa trong Hình 2.15, thể tích dưới miếng dán có thể được xem như một hốc hình chữ nhật chứa vật liệu điện môi với hằng số điện môi ε r Vật liệu điện môi của chất nền được giả định là bị cắt ngắn và không mở rộng ra ngoài các cạnh của miếng dán.
Hình 2.15: Miếng dán vi dải hình chữ nhật trong hệ trục toạ độ.
Thế vectơ A x phải thỏa mãn phương trình sóng thuần nhất
Trong đó, k x, k y và k z đại diện cho các số theo các hướng x, y và z, và chúng sẽ được xác định dựa trên các điều kiện biên Điện trường và từ trường trong lỗ khoang có mối liên hệ với điện thế thông qua vectơ A x.
Tùy thuộc vào các điều kiện biên của
Các tọa độ đã được đánh dấu sẵn x ' , y ' , z ' được sử dụng để biểu diễn các trường bên trong lỗ khoang Áp dụng các điều kiện biên
E y ( x ' =0 , 0 ≤ y ' ≤ L, 0 ≤ z ' ≤ W ) và E y ( x ' =h, 0 ≤ y ' ≤ L, 0 ≤ z ' ≤ W )=0, có thể chỉ ra rằng
Tương tự, áp dụng các điều kiện biên H y (0 ≤ x ' ≤h, 0 ≤ y ' ≤ L, z ' =0) và
H y (0 ≤ x ' ≤h, 0 ≤ y ' ≤ L, z ' =W )=0, có thể chỉ ra rằng B 3 = 0 và k z = pπ
Cuối cùng, áp dụng các điều kiện biên H z (0 ≤ x ' ≤ h, y ' =0 , 0 ≤ z ' ≤ W ) và
H z (0≤ x ' ≤ h, y ' = L ,0 ≤ z ' ≤ W )=0, có thể chỉ ra rằng B 2 = 0 và k y = nπ
Do đó, dạng cuối cùng của thế năng vectơ A x trong lỗ khoang là
A x = A mnp cos( k x x ' ) cos ( k y y ' ) cos ( k z z ' ) (2.23 ) Trong đó A mnp đại diện cho các hệ số biên độ của mỗi chế độ mnp Các tham số k x , k y , k z bằng m=n= p ≠ 0 ⇐ { k k k x z y = = = ( ( ( mπ pπ W nπ h L ) ) ) , m=0 , p=0 ,n=0 , , , 1 1 1 ,2 ,2 , 2,… ,… ,… (2.24 )
Trong đó m, n, p lần lượt đại diện cho số biến thiên trường nửa chu kỳ dọc theo các hướng x, y, z Vì các dãy số k x , k y , k z phải tuân theo phương trình ràng buộc k x 2 +k 2 y + k z 2 = ( mπ h ) 2 + ( nπ L ) 2 + ( pπ W ) 2 =k r 2 =ω r 2 με (2.25 )
Các tần số cộng hưởng cho lỗ khoan được cho bởi
Thay thế (2.23) thành (2.18), điện trường và từ trường trong khoang được viết là
Để xác định chế độ ưu thế với cộng hưởng thấp nhất, chúng ta cần kiểm tra các tần số cộng hưởng Chế độ có tần số cộng hưởng bậc thấp nhất được gọi là chế độ ưu thế Việc sắp xếp các tần số cộng hưởng theo thứ tự tăng dần giúp xác định thứ tự của các chế độ hoạt động Điều này đặc biệt quan trọng đối với tất cả các anten vi dải h.
≪ L và h ≪ W Nếu L > W > h, chế độ có tần số thấp nhất (chế độ ưu thế) là
TM 010 x có tần số cộng hưởng được cho bởi
2 L √ ε r (2.28 ) Trong đó v 0 là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do Nếu ngoài L >
W > L/2 > h, chế độ bậc cao tiếp theo (thứ hai) là TM 001 x có tần số cộng hưởng được cho bởi
2W √ ε r (2.28 ) Tuy nhiên, nếu L > L/2 > W > h, chế độ bậc hai là TM 020 x , thay vì TM 001 x , có tần số cộng hưởng được cho bởi
Nếu W > L > h, chế độ ưu thế là TM 001 x với tần số cộng hưởng được xác định bởi (2.28) Trong trường hợp W > W/2 > L > h, chế độ bậc hai là TM 002 x Dựa trên (2.27), sự phân bố điện trường tiếp tuyến dọc theo các thành bên của khoang cho các chế độ TM 010 x, TM 001 x, TM 020 x và TM 002 x được thể hiện trong Hình 2.16.
2.4.2 Mật độ dòng điện tương đương:
Mô hình cáp đồng trục cho thấy anten vi dải có thể được mô hình hóa bằng một khoang chứa chất điện môi với hai thành dẫn điện hoàn hảo và bốn thành từ dẫn hoàn hảo Giả định rằng chất nền không mở rộng ra ngoài các cạnh của miếng dán, bốn thành bên đại diện cho bốn khẩu độ hẹp cho bức xạ Theo Nguyên lý Tương đương Trường, miếng dán vi dải được biểu thị bằng mật độ dòng điện tương đương J t ở bề mặt trên cùng, với dòng điện mật độ J b ở dưới cùng không cần thiết cho mô hình Các khe bên được biểu diễn bằng mật độ dòng điện tương đương J s và M s.
Trong đó E a và H a lần lượt đại diện cho điện trường và từ trường tại các khe.
Hình 2.16: Cấu hình trường (chế độ) cho miếng dán hình chữ nhật.
Do anten vi dải có tỷ lệ chiều cao - chiều rộng rất nhỏ, mật độ hiện tại J t ở trên cùng của miếng dán nhỏ hơn nhiều so với mật độ hiện tại J b ở dưới cùng, nên J t được coi là không đáng kể và đặt bằng 0 Ngoài ra, từ trường tiếp tuyến dọc theo các cạnh của miếng dán cũng rất nhỏ, lý tưởng là bằng không Vì vậy, mật độ dòng điện tương đương J s sẽ rất nhỏ và được đặt bằng không Mật độ dòng khác không duy nhất là mật độ dòng điện từ tương đương M s dọc theo ngoại vi bên của hốc bức xạ khi có tấm đất, như thể hiện trong Hình 2.17(b).
Sự hiện diện của tấm đất có thể làm tăng gấp đôi mật độ dòng điện từ tương đương, theo lý thuyết được trình bày trong (2.31) Điều này cho thấy rằng mật độ dòng điện từ có thể được tính toán bằng cách nhân đôi giá trị trong (2.31).
Xung quanh vùng ngoại vi bên của miếng dán tỏa ra không gian tự do,như trong Hình 2.17(c).
(b) J s = 0, M s với tấm đất (c) M s không có tấm đất
Hình 2.17: Mật độ dòng điện tương đương trên bốn mặt của miếng dán vi dải hình chữ nhật.
Mô hình đường truyền vi dải cho thấy anten vi dải có thể được mô tả bằng hai khe bức xạ dọc theo chiều dài của miếng dán, mỗi khe có chiều rộng W và chiều cao h Mặc dù tổng cộng có bốn khe đại diện cho anten vi dải, chỉ hai khe bức xạ chính chiếm phần lớn bức xạ, trong khi hai khe còn lại có ảnh hưởng nhỏ hơn Hai khe này, cách nhau bằng chiều dài miếng dán, được gọi là khe bức xạ và được ngăn cách bởi một đường dây dẫn tấm song song có trở kháng rất thấp với chiều dài L Chiều dài của đường truyền xấp xỉ λ/2, trong đó λ là bước sóng trong chất nền, giúp các trường ở khẩu độ của hai khe có phân cực ngược nhau Hai khe tạo thành một mảng hai phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là λ/2, tạo ra bức xạ cực đại pháp tuyến cho miếng dán, do đó xác định anten này là góc rộng.
Giả sử rằng chế độ ưu thế trong khoang là chế độ TM 010 x , các thành phần điện trường và từ trường giảm xuống (2.27) để
Trong đó E 0 = −j𝜔 A 010 và H 0 = (𝜋/𝜇L) A 010 Cấu trúc điện trường bên trong chất nền và giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đất được phác thảo trong Hình 2.1(a, b) và 2.16(a).
Hình 2.18: Các khe bức xạ của miếng dán vi dải hình chữ nhật và mật độ dòng điện từ tương đương.
Tính định hướng
Đối với mọi anten khác, tính định hướng là một trong những số liệu quan trọng nhất về giá trị mà định nghĩa của nó được đưa ra bởi
Sử dụng điện trường của (2.35), cường độ bức xạ cực đại và công suất bức xạ có thể được viết tương ứng là
Do đó, định hướng của một khe đơn có thể được biểu thị bằng
Tính định hướng của một khe cắm duy nhất có thể được tính bằng cách sử dụng (2.47) Ngoài ra, nó cũng có thể được tính bằng cách sử dụng (2.38).
Cả hai phương pháp đều dựa trên cùng một công thức, do đó cho kết quả tương tự nhau Đồ thị định hướng của khe đơn với h = 0,01 λ 0 và 0,05 λ 0 như một hàm của chiều rộng khe được thể hiện trong Hình 2.22 Điều này cho thấy rằng định hướng của khe đơn không bị ảnh hưởng đáng kể bởi chiều cao của chất nền, miễn là nó được duy trì ở mức điện nhỏ.
Hình 2.21: Tính định hướng của một và hai khe như một hàm chiều rộng khe.
Về mặt tiệm cận, các giá trị của (2.47) thay đổi
2.5.2 Khe đôi ( k 0 h ≪ 1): Đối với hai khe, sử dụng (2.38), định hướng có thể được viết là
Trong đó G rad là độ dẫn bức xạ và
0 π [ sin ( k cos 0 2 W θ cos θ ) ] 2 ( sin θ ) 3 [ cos ( k 0 2 L e sin θ sin ϕ ) ] 2 dθ dϕ
Tổng định hướng bề rộng D 2 cho hai khe bức xạ, được phân tách bởi trường chế độ TM 010 x chiếm ưu thế với phân bố điện áp phản đối xứng, có thể được diễn đạt như sau.
Trong đó: D 0 = Độ định hướng của khe đơn [như được cho bởi
(2.47)] D AF = Độ định hướng của hệ số mảng AF
Độ dẫn tương hỗ chuẩn hóa g 12 được tính bằng công thức g 12 = G 12 / G 1, và có thể thu được thông qua các phương trình (2.7b) và (2.11) Các giá trị tính toán từ (2.11) chỉ ra rằng thường g 12 có giá trị nhỏ hơn nhiều so với 1, do đó công thức (2.51) thường được sử dụng như một giá trị gần đúng.
Về mặt tiệm cận, định hướng của hai khe cắm (anten vi dải) có thể được biểu thị bằng
Giờ đây có thể tính toán định hướng của anten vi dải bằng cách sử dụng (2.49) và (2.50) Ngoài ra, nó cũng có thể được tính bằng cách sử dụng (2.38).
Các đồ thị định hướng của anten vi dải, được mô hình hóa bởi hai khe với chiều cao h = 0,01 λ 0 và 0,05 λ 0, cho thấy rằng định hướng không phụ thuộc mạnh vào chiều cao miễn là chiều cao duy trì ở mức nhỏ Sự khác biệt khoảng 2 dB giữa định hướng của một và hai khe được chỉ ra Hình 2.22 thể hiện biểu đồ điển hình về định hướng của miếng dán đối với tần số cộng hưởng cố định dưới dạng hàm của chiều cao chất nền (h/ λ 0) cho hai chất điện môi khác nhau.
Tính định hướng của các khe có thể được ước lượng gần đúng theo công thức của Kraus và Tai & Pereira Đối với chùm tia phẳng E và H, các giá trị có thể được tính gần đúng bằng công thức: Θ E ≈ 2sin −1 √ 4 ( 3 7.03 L e 2 +h λ 0 2 2 ) π 2 và Θ H ≈ 2 sin −1 √ 2+ k 1 0 W.
Các giá trị thu được từ (2.53) và (2.54) có thể không hoàn toàn chính xác do kích thước lớn của các chùm tia, đặc biệt là trong mặt phẳng E Mặc dù vậy, chúng vẫn có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích.
Hình 2.22: Các biến thể về hướng như là một hàm của chiều cao chất nền đối với một anten vi dải vuông (Được phép của D M Pozar).
Các thông số quan trọng khác
Chất lượng, dải thông và hiệu suất là ba yếu tố quan trọng của anten, có mối quan hệ chặt chẽ và không thể tối ưu hóa độc lập Để đạt được hiệu suất anten tối ưu, cần có sự cân bằng giữa các yếu tố này Tuy nhiên, thường có xu hướng muốn tối ưu hóa một yếu tố trong khi có thể làm giảm hiệu suất của yếu tố khác.
Yếu tố chất lượng Q t của anten phản ánh các tổn hao, bao gồm tổn thất bức xạ, tổn thất dẫn truyền (ohmic), tổn thất điện môi và tổn thất sóng bề mặt Tổng yếu tố chất lượng này bị ảnh hưởng bởi tất cả các loại tổn thất nêu trên.
Trong đó: Q t = Tổng hệ số chất lượng.
Q rad = Hệ số chất lượng do tổn thất bức xạ (sóng không gian).
Q c = Hệ số chất lượng do tổn thất dẫn điện (ohmic).
Q d = Hệ số chất lượng do tổn thất điện môi.
Hệ số chất lượng do sóng bề mặt (Q sw) là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tổn thất năng lượng Đối với chất nền rất mỏng, tổn thất này thường không đáng kể và có thể bỏ qua Tuy nhiên, với các chất nền dày hơn, tổn thất do sóng bề mặt cần được xem xét kỹ lưỡng Để giảm thiểu tổn thất, có thể áp dụng các lỗ hổng Đối với chất nền rất mỏng (h ≪ λ 0) với hình dạng đa dạng như hình chữ nhật hoặc hình tròn, có những công thức gần đúng để tính toán hệ số chất lượng cho các loại tổn thất khác nhau.
Công thức Q rad = 2 ωε r hG t /l K (2.58) mô tả các yếu tố ảnh hưởng đến bức xạ nhiệt, trong đó tan 𝛿 đại diện cho tiếp tuyến mất mát của vật liệu nền, 𝜎 là độ dẫn điện của các dây dẫn kết nối với miếng vá và mặt phẳng đất, và G t /l là tổng độ dẫn điện trên một đơn vị chiều dài của lỗ bức xạ.
❑ | E | 2 dl Đối với khẩu độ hình chữ nhật hoạt động ở chế độ TM 010 x chủ đạo
Hệ số Q rad tỷ lệ nghịch với chiều cao của chất nền, đặc biệt khi chất nền rất mỏng, điều này thường là yếu tố quyết định Đồng thời, dải thông phân đoạn của anten cũng tỷ lệ nghịch với Q t của anten và được xác định bởi công thức Δ f / f 0 = 1.
Tuy nhiên, công thức (2.59) có thể không hữu ích do không xem xét sự kết hợp trở kháng tại các đầu vào của anten Để định nghĩa dải thông phân đoạn một cách hợp lý hơn, cần xác định băng tần mà tại đó VSWR ở các đầu vào bằng hoặc nhỏ hơn giá trị tối đa mong muốn, giả định rằng VSWR là đồng nhất ở tần số thiết kế Một phiên bản sửa đổi của công thức (2.59) có thể được sử dụng để tính đến sự phù hợp trở kháng, cụ thể là Δ f / f 0 = VSWR - 1.
Dải thông của anten vi dải hình chữ nhật tỷ lệ thuận với thể tích, và tại tần số cộng hưởng không đổi, có thể được biểu thị bằng Q t √ VSWR (2.60).
BW volume=area height =length width.height
Biểu thức gần đúng cho dải thông trong trường hợp VSWR ≤ 2 và | Γ | ≤ 1/3 là √1/εr Điều kiện cần thiết là công suất sóng bề mặt phải nhỏ hơn nhiều so với công suất bức xạ (sóng không gian).
Biểu thức này có giá trị khi h ≪ λ 0, vì nó được suy ra từ các công thức gần đúng được phát triển một cách nghiêm ngặt, bao gồm tích phân Sommerfeld cho chất nền mỏng.
Theo (2.61), dải thông tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của hằng số điện môi của chất nền Hình 2.23 minh họa một biến thể điển hình của dải thông đối với anten vi dải như một hàm của chiều cao chuẩn hóa của chất nền, cho thấy rằng dải thông tăng lên khi chiều cao chất nền tăng.
Hiệu suất bức xạ của anten là tỷ lệ giữa công suất bức xạ và công suất đầu vào, có thể được biểu diễn thông qua các yếu tố chất lượng Công thức tính toán hiệu suất bức xạ được thể hiện bằng e cdsw = 1/Q rad.
Hiệu suất của anten vi dải được thể hiện như một hàm của chiều cao chất nền, với hai loại chất nền khác nhau, theo công thức Q t được cho bởi (2.55) Hình 2.23 minh họa các biến thể điển hình này.
Hình 2.23 trình bày hiệu suất và dải thông của miếng dán vi dải hình chữ nhật với hai chất nền khác nhau, so sánh theo chiều cao đế ở tần số cộng hưởng không đổi Nguồn thông tin được trích dẫn từ D M Pozar trong bài viết “Microstrip Antennas” được đăng trên tạp chí IEEE, Vol 80, No 1.
Kết luận chương 2
Chương này cung cấp kiến thức tổng quan về anten vi dải, bao gồm giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của anten vi dải, các kỹ thuật tiếp điện, mô hình phân tích và các thông số quan trọng Bên cạnh đó, chương cũng đề cập đến nguyên lý bức xạ và công thức tính toán các thông số của anten vi dải, đặc biệt là anten vi dải hình chữ nhật Cuối cùng, chương áp dụng những kiến thức này để phân tích và đề xuất phương pháp mở rộng băng thông cho thiết kế anten vi dải băng rộng.
CÁC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU
Anten trong các thiết bị di động
3.1.1 Thiết bị di động đầu cuối:
Thiết bị di động, hay còn gọi là máy tính cầm tay, là những thiết bị nhỏ gọn có thể cầm và vận hành bằng tay, thường được trang bị màn hình phẳng LCD hoặc OLED với giao diện cảm ứng cùng các nút kỹ thuật số và bàn phím vật lý Chúng có khả năng kết nối Internet và tương tác với các thiết bị khác như hệ thống giải trí trên xe hơi và tai nghe thông qua Wi-Fi, Bluetooth, mạng di động hoặc NFC Các tính năng phổ biến của thiết bị di động bao gồm máy ảnh tích hợp, máy nghe nhạc kỹ thuật số, thực hiện và nhận cuộc gọi điện thoại, chơi game và sử dụng GPS Nguồn năng lượng thường đến từ pin lithium, và thiết bị di động chạy các hệ điều hành cho phép cài đặt và sử dụng ứng dụng của bên thứ ba.
Theo định nghĩa khoa học, thì trong viễn thông (telecommunication), thiết bị đầu cuối có những nghĩa sau đây:
Thiết bị truyền thông ở hai đầu dây giúp liên kết các mối giao thông
Thiết bị dùng để thu và phát số liệu
Các tổng đài điện thoại và điện tín (switchboards - trung tâm chuyển mạch) cùng những linh kiện trung tâm khác.
Thiết bị cuối xử lý số liệu (Data Terminal Equipment - DTE) là thiết bị nằm ở cuối đường dây, có nhiệm vụ chuyển đổi thông tin của người dùng thành tín hiệu và ngược lại, chuyển đổi tín hiệu thành thông tin cho người dùng.
Hình 3.1: Các thiết bị di động đầu cuối.
Thiết bị đầu cuối là các thiết bị như điện thoại cố định, điện thoại di động, máy tính, máy fax, USB, thiết bị Bluetooth và máy bán hàng, có chức năng giải mã tín hiệu và mã từ tổng đài hoặc trung tâm chuyển mạch Số lượng thiết bị đầu cuối và giải pháp kết nối phụ thuộc vào quy mô và nhu cầu sử dụng của doanh nghiệp.
Hình 3.2: Thiết bị đầu cuối Di động Cầm tay Motorola MT2000 Series.
Chức năng của thiết bị đầu cuối bao gồm:
Thiết bị đầu cuối kết nối vào hệ thống cho phép người dùng nhận và chuyển cuộc gọi, phục vụ cho việc liên lạc nội bộ giữa các nhóm hoặc phòng ban, cũng như giữa các phòng khác nhau.
Các thiết bị đầu cuối hiện đại mang đến nhiều tính năng vượt trội mà các tổng đài truyền thống không thể cung cấp, bao gồm hiển thị số điện thoại, chuyển cuộc gọi, tìm kiếm danh bạ, thực hiện cuộc gọi video và khả năng gọi đồng thời nhiều máy.
Như đã nói ở trên, thiết bị đầu cuối có chức năng thu và nhận các tín hiệu, chuyển hóa thành tin tức và ngược lại
Thiết bị đầu cuối có tác dụng đảm bảo tính bảo mật của hệ thống
Thiết bị đầu cuối có tính xác nhận đặc điểm nhận dạng khách hàng, thiết bị hoặc phần tử mạng.
Ngoài ra, thiết bị đầu cuối còn có chức năng xác định hoặc ghi lại các thông tin và tài nguyên.
Kết nối giữa các thiết bị đầu cuối trong tổng đài
Mạng truy nhập cho phép thiết bị đầu cuối kết nối với mạng thông qua cơ sở hạ tầng hiện có như Internet, mạng LAN và mạng WAN Nhờ đó, nó giúp giảm chi phí so với các hệ thống truyền thống trước đây.
Hình 3.3: Hệ thống tổng đài IP. Điện thoại thông minh ban đầu đã được tham gia vào cuối những năm
Vào năm 2000, máy tính bảng lớn hơn đã trở nên phổ biến, nhưng vẫn giữ các chức năng cơ bản tương tự Giao diện màn hình cảm ứng đã trở thành phương thức chính để nhập và xuất dữ liệu Điện thoại và máy tính bảng, cùng với trợ lý kỹ thuật số cá nhân, cung cấp nhiều chức năng tương tự như máy tính xách tay và máy tính để bàn, nhưng với sự tiện lợi hơn và các tính năng độc quyền Trợ lý kỹ thuật số doanh nghiệp còn hỗ trợ các chức năng kinh doanh bổ sung như thu thập dữ liệu qua mã vạch, RFID và đầu đọc thẻ thông minh Đến năm 2010, các thiết bị di động thường được trang bị cảm biến như gia tốc kế, từ kế và con quay hồi chuyển, cho phép phát hiện chuyển động và định hướng Ngoài ra, các thiết bị này còn cung cấp xác thực sinh trắc học như nhận diện khuôn mặt và vân tay.
Trong những thập niên gần đây, truyền thông vô tuyến đã phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của nhiều thiết bị không dây nhỏ gọn, tích hợp khả năng tính toán và cung cấp nhiều ứng dụng Điện thoại di động và máy tính cá nhân hiện nay không chỉ phục vụ cho cuộc gọi thoại mà còn cho phép truy cập internet, xem phim, nghe nhạc và đa nhiệm mọi lúc mọi nơi Sự tiến bộ này nhờ vào các công nghệ tiên tiến và tiêu chuẩn mới, giúp nâng cao hiệu suất cho các thiết bị di động, ngay cả khi người dùng di chuyển với tốc độ cao.
Hình 3.4: Các thế hệ mạng di động qua từng thời kỳ (Nguồn: IEEE Xplore).
Mỗi hệ thống truyền thông sở hữu những cấu trúc và đặc điểm riêng biệt, nhưng tất cả đều phát triển dựa trên các xu hướng chung.
Theo hướng ngày càng cá nhân hóa.
Theo các đặc tính mang yếu tố toàn cầu hóa.
Theo các dịch vụ đa phương tiện.
Theo hệ thống di động dựa trên xử lý phần mềm.
Các mô hình anten cho mạng di động đã phát triển theo từng giai đoạn của truyền thông di động, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng Khi dung lượng mạng đạt giới hạn, tần số hoạt động cũng được nâng cao Để phù hợp với điều kiện mới, các loại anten như anten hình chữ F ngược, anten công nghệ planar, anten thông minh, anten tái cấu hình, anten mảng thích ứng, và anten MIMO đã được phát triển Đặc biệt, các anten sử dụng cấu trúc đặc biệt và siêu vật liệu giúp giảm kích thước và cải thiện nhiều đặc tính cơ bản của anten.
Kỹ thuật đa anten
Kỹ thuật đa anten, hay còn gọi là MIMO, là tập hợp các phương pháp sử dụng nhiều anten trong quá trình thu và phát tín hiệu Việc áp dụng kỹ thuật này giúp nâng cao hiệu suất hệ thống, bao gồm việc tăng dung lượng hệ thống với nhiều người dùng hơn trong một ô, mở rộng vùng phủ sóng, và cải thiện khả năng cung cấp dịch vụ.
Khoảng cách giữa các phần tử anten là một yếu tố quan trọng trong cấu hình đa anten, ảnh hưởng đến mối quan hệ tương quan fading kênh vô tuyến Khi các anten được đặt xa nhau, độ tương quan fading sẽ thấp, trong khi nếu đặt gần nhau, độ tương quan fading sẽ cao, dẫn đến các anten có fading tức thời tương tự nhau.
Khoảng cách giữa các anten cần thiết để đạt độ tương quan cao hoặc thấp phụ thuộc vào bước sóng và tần số sóng mang được sử dụng, cũng như vào kịch bản triển khai Đối với anten trạm gốc trong môi trường macro-cell, khoảng cách khoảng 10 bước sóng là cần thiết để đảm bảo độ tương quan thấp, trong khi khoảng cách cho máy đầu cuối di động chỉ cần khoảng nửa bước sóng Sự khác biệt này xuất phát từ việc phản xạ đa đường gây fading chủ yếu xảy ra gần máy đầu cuối di động, dẫn đến các đường truyền đến với góc lớn và độ tương quan thấp Ngược lại, tại vị trí trạm gốc, các đường truyền đến với góc nhỏ hơn, do đó cần khoảng cách anten lớn hơn để duy trì độ tương quan thấp.
Trong kịch bản triển khai micro-cell, các anten trạm gốc được lắp đặt thấp hơn nóc nhà và trong môi trường trong nhà, tạo ra khoảng cách nhỏ giữa các anten mà vẫn đảm bảo độ tương quan thấp Các anten này có thể sử dụng cùng một phân cực hoặc áp dụng phân cực khác nhau để giảm thiểu hiện tượng fading Việc bố trí này cho phép các anten được đặt gần nhau mà không làm giảm chất lượng tín hiệu.
Kỹ thuật đa anten mang lại những lợi ích khác nhau phụ thuộc vào những mục đích khác nhau:
Nhiều anten phát và thu có thể được áp dụng để phân tập và giảm thiểu hiện tượng fading trong kênh vô tuyến Để đạt được hiệu quả tối ưu, các kênh trên các anten khác nhau cần có độ tương quan thấp, điều này có thể được thực hiện bằng cách đảm bảo khoảng cách giữa các anten đủ lớn (phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten với phân cực khác nhau (phân tập phân cực).
Nhiều anten phát và thu có thể được sử dụng để định hình búp sóng anten tổng, nhằm tối đa hóa độ lợi anten theo hướng thu hoặc phát nhất định và triệt nhiễu lấn át tín hiệu Kỹ thuật tạo búp sóng này có thể dựa trên độ tương quan cao hoặc thấp giữa các anten.
Kỹ thuật ghép kênh không gian cho phép sử dụng độ khả dụng của đa anten phát và thu để tạo ra nhiều kênh truyền song song qua giao diện vô tuyến Phương pháp này tối ưu hóa băng thông mà không làm giảm thông tin, cho phép đạt được tốc độ dữ liệu cao ngay cả khi băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ sóng.
Hệ số tương quan ECC cho phép xác định sự tương hỗ giữa các anten trong hệ MIMO thông qua ảnh hưởng của trường điện từ trên mặt phẳng E Ngoài ra, hệ số tương quan giữa anten i và anten j trong hệ anten MIMO NxN cũng có thể được xác định dựa trên tham số tán xạ và truyền dẫn thông.
Khi một hệ anten MIMO có 2 phần tử thì hệ số tương quan ( ρ e ) có thể được tính bằng: ρ e = | S 11 ¿ S 12 + S 21 ¿ S 22 | 2
Hệ số tương quan ρ e dao động từ 0 đến 1, trong đó ρ e = 0 cho thấy không có ảnh hưởng tương hỗ trong hệ thống Khi ρ e càng gần 0, hệ thống sẽ hoạt động hiệu quả hơn Đối với hệ thống liên lạc không dây thông thường, giá trị tối đa cho phép của ρ e là 0,5, trong khi hệ thống truyền thông LTE có ρ e = 0,3.
Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (Defected Ground Structure – DGS)
Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong mạch in và anten, với các hình học cơ bản và mô hình phân tích được thảo luận Bài viết đề cập đến nhiều ứng dụng của DGS trong anten vi dải, dựa trên tài liệu mở có sẵn Sự phát triển của DGS theo thời gian cho thấy những tiến bộ đáng kể, đặc biệt là trong lĩnh vực anten vi dải.
Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) đã được phát triển gần đây từ các nghiên cứu về cấu trúc khoảng cách dải quang tử (PBG) trong điện từ học Các PBG, hiện được gọi là cấu trúc Khoảng cách dải điện từ (EBG), là những cấu trúc tuần hoàn nhân tạo có khả năng ngăn chặn sóng điện từ truyền qua trong một dải tần số nhất định, được gọi là “dải dừng”, đồng thời cho phép sóng điện từ truyền qua trong một dải tần số khác, gọi là “dải tần”.
Hình 3.5: Sơ đồ đại diện cho thấy một dải dừng trong các đặc tính truyền dẫn của cấu trúc EBG điển hình.
Hình 3.5 minh họa “độ rộng vùng cấm” trong quá trình truyền tín hiệu do cấu trúc EBG tạo ra Nghiên cứu tiên phong về PBG bắt đầu từ năm 1987, tập trung vào tần số quang học, và dần trở nên phổ biến trong các ứng dụng vi sóng và sóng milimet Qua nhiều cuộc điều tra, các hình dạng hình học khác nhau đã được phát triển, dẫn đến việc hiện thực hóa các cấu trúc EBG cơ bản như DGS.
3.3.2 Định nghĩa và các đặc điểm:
Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) là các "ô đơn vị" nhỏ gọn được khắc trên mặt phẳng đất của bảng mạch in vi sóng (MPCB) nhằm xác định tính năng truyền sóng dừng qua chất nền DGS có thể được xem như một EBG ô đơn vị với số lượng ô hạn chế, có bản chất cộng hưởng và hình dạng, kích thước khác nhau, dẫn đến các đáp ứng tần số và thông số mạch tương đương khác nhau Sự hiện diện của DGS dưới đường truyền in làm xáo trộn phân bố điện trường, từ đó thay đổi các thông số đường tương đương và ảnh hưởng đến các đặc tính sóng hướng dẫn, mở rộng dải tần và tạo hiệu ứng sóng chậm, giúp tối ưu hóa mạch in Nghiên cứu về DGS được phân thành hai loại: DGS tế bào đơn vị và sắp xếp tuần hoàn đồng nhất hoặc không đồng nhất của các ô đơn vị.
Các hình dạng DGS đã được nghiên cứu bao gồm nhiều loại đơn giản như quả tạ hình chữ nhật, hình tròn, xoắn ốc, và các hình dạng phức tạp như bộ cộng hưởng vòng chia và xương gãy Những hình dạng này được sử dụng để tạo ra các bộ lọc, loại bỏ sóng bề mặt không mong muốn, và điều khiển sóng hài trong các ứng dụng như ăng-ten microstrip và mạch vi sóng nhỏ gọn Nghiên cứu cũng tập trung vào việc khám phá các hình dạng hình học khác nhau nhằm cải thiện hiệu suất về dải dừng, băng thông, tính nhỏ gọn và dễ thiết kế.
Hình 3.6: Một số phân loại và hình học DGS cơ bản.
Cấu trúc DGS, phát triển từ cấu trúc EBG, không chỉ kế thừa đặc tính chắn sóng (stop band) của EBG mà còn sở hữu thêm đặc tính quan trọng là đường truyền sóng chậm (slow wave).
Các hình dạng DGS đa dạng bao gồm: (a) hình quả tạ, (b) hình xoắn ốc, (c) hình chữ H, (d) hình chữ U, (e) quả tạ đầu mũi tên, (f) hình vòng tròn đồng tâm, (g) bộ cộng hưởng vòng chia, (h) hình chữ số, (i) hình chữ thập, (j) quả tạ đầu tròn, (k) đầu vuông nối với các khe U, (l) quả tạ vòng hở, (m) hình xương gãy, (n) nửa hình tròn, (o) hình chữ V, (p) hình chữ L, (q) đường gấp khúc, (r) quả tạ đầu U, (s) kép U, và (t) hình vuông cạnh bằng nhau nối với khe hẹp ở cạnh.
Đường truyền sóng chậm (Slow wave):
Cấu trúc DGS, phát triển từ cấu trúc EBG, có thể được mô hình hóa dưới dạng mạch cộng hưởng LC, bao gồm các thành phần điện cảm L và điện dung C Hình 3.8 minh họa ứng dụng của cấu trúc DGS hình quả tạ.
Hình 3.8 mô tả DGS hình quả tạ với kích thước khe chữ nhật “a” và “b”, cùng khe hở “g” được tích hợp với đường truyền vi dải 50 Ohm trên đế TACONIC 62mil có hằng số điện môi ε r = 10 và chiều rộng w = 1,46 mm Các tham số S được mô phỏng cho DGS với khe hở “g” = 0,2 mm cho mọi giá trị của “a” và “b”, đồng thời trình bày mô hình mạch tương đương của DGS Cấu trúc DGS trong mạch siêu cao tần làm tăng điện cảm và điện dung tương đương, dẫn đến việc đường truyền vi dải dài hơn tiêu chuẩn với cùng chiều dài thực tế Điều này giúp giảm kích thước của mạch siêu cao tần, từ đó giảm kích thước anten một cách đáng kể.
(a) Đặc tính pha (b) Hệ số sóng chậm Hình 3.9: Đặc tính đường truyền vi dải DGS.
Cấu trúc DGS thể hiện đặc tính đặc biệt qua sự biến đổi pha và hệ số sóng chậm của đường truyền vi dải, như minh họa trong Hình 3.8 Sự nhẩy pha tại tần số cộng hưởng được tạo ra bởi ảnh hưởng của điện cảm và điện dung trong cấu trúc DGS Điều này dẫn đến sự biến đổi pha nhanh hơn và sóng chậm hơn tại tần số ff0, sự biến đổi pha chậm hơn và sóng nhanh hơn.
Cấu trúc DGS, tương tự như cấu trúc EBG, có đặc tính chắn sóng được xác định qua đồ thị tham số tán xạ, như thể hiện trong Hình 3.8 (b) Đồng thời, cấu trúc DGS cũng tạo ra một dải chắn tần số (S12).
Mặc dù ô đơn vị DGS cơ bản hình quả tạ có hiệu quả chắn sóng dưới -20dB, nhưng không thể so sánh với hiệu quả của ô đơn vị cấu trúc EBG kiểu hình nấm Để cải thiện khả năng chắn sóng của cấu trúc DGS, việc sử dụng cấu trúc tuần hoàn với số lượng phần tử tăng lên sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn Phương pháp này cũng được áp dụng cho cấu trúc EBG.
3.3.3 Phân tích cấu trúc DGS:
Các thành phần kim loại trong anten vi dải đóng vai trò quan trọng trong việc kết hợp các yếu tố như điện trở, điện cảm và điện dung Mỗi thành phần có thể được biểu diễn qua nhiều mô hình mạch tương đương, tương ứng với cấu trúc kim loại của từng khe Việc phân tích toàn sóng giúp hiểu rõ hơn về đáp ứng của DGS và xác định mô hình mạch tương đương cuối cùng Tuy nhiên, phân tích toàn sóng không thể mô tả chính xác kích thước và vị trí của cấu trúc DGS Do đó, phương pháp phổ biến để phân tích DGS là "phương pháp thử nghiệm và lặp lại khi có lỗi", mặc dù phương pháp này tốn nhiều thời gian và công sức, và có thể không đạt được kết quả tối ưu cho sản phẩm anten.
Hình 3.10: Sơ đồ thiết kế và phân tích cấu trúc DGS.
Cấu trúc DGS được hình thành từ các mạch tương đương phức tạp, và việc xác định vị trí tối ưu trên anten vi dải là một thách thức Tuy nhiên, nghiên cứu sâu về cấu trúc DGS cho phép đánh giá hiệu quả hoạt động của anten, đồng thời xác định gần đúng các đặc tính dải tần cho ứng dụng trong mạch lọc và mạch chắn Theo các nghiên cứu hiện đại, có bốn loại mô hình hoá tương đương cho cấu trúc DGS.
Mô hình đường truyền dẫn:
Mô hình đường truyền dẫn của khe DGS hình chữ nhật đơn giản được thể hiện trong Hình 3.11 (a), trong đó các khe cộng hưởng tại các tần số khác nhau được xác định bởi công thức f m ≅ m c 0.
Kết luận chương 3
Chương này trình bày chi tiết các kỹ thuật đã sử dụng cho đề tài, bao gồm kỹ thuật đa anten và sự phát triển công nghệ viễn thông hiện nay Nó cũng đề cập đến đặc điểm của thiết bị di động với anten MIMO và cấu trúc DGS Bên cạnh đó, chương cung cấp các kỹ thuật phân tích và lựa chọn thiết kế anten nhằm phát triển anten LTE – A hoàn chỉnh.