ANTEN VÀ VAI TRÒ CỦA ANTEN TRONG VIỄN THÔNG
Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về anten và anten vi dải Phân loại anten, các cấu trúc cơ bản, ứng dụng của nó trong viễn thông Trong chương này chúng ta cũng tìm hiểu về sự bức xạ sóng điện từ trong anten.
Sơ lược về anten
Anten là thiết bị dùng để phát hoặc thu sóng điện từ từ không gian bên ngoài, đóng vai trò là cầu nối giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng Thông thường, máy phát và anten phát, cũng như máy thu và anten thu, không được nối trực tiếp mà thông qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fider Máy phát tạo ra dao động điện cao tần, được truyền qua fider đến anten phát dưới dạng sóng điện từ Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ từ không gian và chuyển đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc, sau đó truyền về máy thu qua fider Yêu cầu đối với anten và fider là đảm bảo truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao mà không gây méo tín hiệu.
.Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng [1]
Phương trình tương đương Thevenin của hệ thống anten trong hình 1.1 hoạt động ở chế độ phát, được mô tả trong hình 1.2 Trong đó, nguồn được biểu diễn bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn là đường dây với trở kháng đặc trưng Z C, và anten là tải Z A, với Z A = (R L + R r) + jX A Trở kháng tải R L phản ánh sự mất mát do điện môi và vật dẫn.
Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten[1]
Sóng phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten tạo ra sóng đứng, gây ra sự giao thoa giữa sóng truyền đi và sóng phản xạ Sự xuất hiện của các nút và bụng sóng đứng có thể dẫn đến việc đường truyền hoạt động như một thành phần lưu giữ năng lượng, thay vì truyền tải năng lượng hiệu quả Nếu cường độ trường của sóng đứng quá lớn, nó có thể gây hại cho đường truyền dẫn Mất mát tổng thể phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng, và có thể được giảm thiểu bằng cách chọn đường truyền có mức mất mát thấp và giảm trở kháng bức xạ của anten Để giảm sóng đứng và tối thiểu hóa khả năng lưu giữ năng lượng, cần phối hợp trở kháng giữa anten và đường truyền.
Một phương trình tương tự như hình 1.2 được sử dụng để mô tả hệ thống anten trong chế độ thu, trong đó nguồn được thay thế bằng bộ thu Các phần còn lại của phương trình vẫn giữ nguyên tính tương đương Trở kháng phát xạ R r được sử dụng để thể hiện khả năng thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do đến anten.
Các tham số cơ bản của anten
1.3.1 Sự bức xạ sóng điện từ
Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra: trường cảm ứng gần gũi với anten và trường bức xạ xa Tại anten, cường độ của các trường này lớn và tỷ lệ tuyến tính với lượng năng lượng cung cấp Ở khu vực xa, chỉ có trường bức xạ được duy trì, bao gồm hai thành phần chính là điện trường và từ trường.
Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa [1]
Cả điện trường và từ trường do anten phát ra tạo thành trường điện từ, giúp truyền và nhận năng lượng điện từ qua không gian tự do Sóng vô tuyến là dạng sóng điện từ di chuyển, với các sóng phẳng xuất hiện ở khu vực xa Khi sóng lan tỏa, năng lượng mang theo sẽ trải rộng trên một diện tích lớn hơn, dẫn đến việc năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích giảm dần khi khoảng cách từ nguồn tới điểm khảo sát tăng lên.
Các tín hiệu vô tuyến từ anten tạo ra một trường điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten sử dụng Giản đồ bức xạ này phản ánh các đặc tính định hướng của anten.
Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 1.4
Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten[1]
Trong thực tế, một giản đồ 3D có thể được biểu diễn bằng hai giản đồ 2D Thông thường, chúng ta chỉ cần xem xét giản đồ là hàm của biến θ với một số giá trị đặc biệt của φ, và ngược lại, giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ để cung cấp hầu hết thông tin cần thiết.
Giản đồ đẳng hướng và anten đẳng hướng là những khái niệm lý tưởng, bức xạ đều theo mọi hướng, thường được dùng làm tham chiếu cho anten thực Anten hướng tính, ngược lại, có khả năng bức xạ và thu nhận sóng điện từ mạnh mẽ hơn ở một số hướng nhất định Ví dụ, giản đồ bức xạ của anten hướng tính cho thấy không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (mặt phẳng azimuth) và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (mặt phẳng elevation).
Hình 1.5 Giản đồ bức xạ vô hướng của anten[1]
Mặt phẳng E được xác định là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, trong khi mặt phẳng H là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại Để tối ưu hóa hiệu suất, chúng ta thường định hướng anten sao cho ít nhất một trong hai mặt phẳng E hoặc H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (x, y hoặc z) Ví dụ, trong hình 1.6, mặt phẳng x-z (với φ= 0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π / 2) là mặt phẳng H.
Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và H cho anten loa [1]
Các búp sóng trong giản đồ bức xạ hướng tính được phân loại thành các thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 1.7(a) minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với nhiều thùy bức xạ, trong đó một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Tất cả các thùy này đều được gọi chung là thùy Hình 1.7(b) thể hiện giản đồ 2D, đại diện cho một mặt phẳng của hình 1.7(a).
Trong anten bức xạ hướng tính, thùy chính (hay còn gọi là chùm chính) là thùy chứa hướng bức xạ cực đại, thường được xác định tại hướng θ = 0 Hình 1.7 minh họa các búp sóng của anten, cho thấy có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Các thùy phụ là những thùy không phải thùy chính, trong đó thùy bên là thùy gần nhất với thùy chính và nằm trong bán cầu theo hướng của chùm chính Thùy sau là thùy có trục tạo một góc xấp xỉ với hướng bức xạ chính.
Thùy phụ thường nằm ở bán cầu đối diện với thùy chính, tạo ra bức xạ không mong muốn cần được giảm thiểu Trong số các thùy phụ, thùy bên thường là lớn nhất Độ mạnh của thùy phụ được xác định qua tỷ lệ mật độ công suất của thùy đó so với mật độ công suất của thùy chính, được gọi là tỉ lệ thùy bên.
Cường độ bức xạ theo một hướng nhất định được định nghĩa là năng lượng phát ra từ anten trên một đơn vị góc đặc Tham số này là cường độ bức xạ trong trường xa, được tính bằng cách nhân mật độ bức xạ với bình phương khoảng cách.
Khi đó Ulàcường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)
W rad là mật độ bức xạ (W/m2)
Hệ số định hướng của anten là tỉ lệ giữa cường độ bức xạ theo một hướng nhất định và cường độ bức xạ trung bình trên mọi hướng Cường độ bức xạ trung bình được tính bằng tổng công suất bức xạ chia cho 4π Khi không có hướng xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại sẽ được chọn Nói một cách đơn giản, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính là tỉ lệ giữa cường độ bức xạ theo hướng U và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng U0.
Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau:
Khi đó D là hướng tính (không có thứ nguyên)
D 0 là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên)
U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)
U max là cường độ bức xạ cực đại(W/đơn vị góc đặc)
U 0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng
P rad là công suất bức xạ (W)
Hệ số tăng ích (G) là một đơn vị quan trọng để đánh giá hiệu suất của anten, liên quan chặt chẽ đến hệ số định hướng Nó không chỉ phản ánh khả năng hướng tính của anten mà còn cho phép tính toán hiệu suất tổng thể của thiết bị này Trong khi đó, hệ số định hướng chỉ thể hiện đặc tính hướng tính mà không cung cấp thông tin đầy đủ về hiệu suất của anten.
Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn, thường là anten vô hướng, tại cùng hướng và khoảng cách tương đương, dưới giả thiết công suất đặt không đổi.
17 vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)
Trong khi các hệ số tăng ích riêng GƟvà Gφ được biểu diễn bởi:
Trong đó P in là tổng công suất đưa vào anten
U Ɵ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần truờng Eθ
Uφ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường E
Công thức tương ứng được cho bởi:
Băng thông (BW) của anten được định nghĩa là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten đạt tiêu chuẩn nhất định Nó được xem như khoảng tần số xung quanh tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng), nơi các đặc tính của anten như trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm và hiệu suất bức xạ đều đạt giá trị chấp nhận được.
Băng thông của anten dải rộng được xác định bởi tỉ số giữa tần số cao nhất và tần số thấp nhất mà anten có thể hoạt động hiệu quả Cụ thể, một băng thông 10:1 cho thấy tần số cao hơn gấp 10 lần so với tần số thấp.
Anten vi dải
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại mỏng, được đặt cách mặt đất một khoảng nhỏ Patch này được thiết kế để có đồ thị bức xạ cực đại bằng cách lựa chọn mode của trường bức xạ phù hợp Bức xạ end-fire cũng có thể đạt được thông qua việc chọn mode hoạt động đúng Đối với patch hình chữ nhật, chiều dài L thường nằm trong khoảng từ λ0/3 đến λ0/2.
Chiều dày lớp điện môi h và hằng số điện môi ε có vai trò quan trọng trong các thông số bức xạ của anten patch Mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền, như thể hiện trong hình 1.9 Các yếu tố như w, h, x, y, z, θ và Φ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của anten.
Khe bức xạ #1 Khe bức xạ #2
Có nhiều điện môi nền được sử dụng trong thiết kế anten vi dải, với hằng số điện môi thường nằm trong khoảng 2.2 đến 12 Các lớp điện môi dày thường có hằng số điện môi thấp hơn, mang lại hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và hạn chế sự bức xạ trường tổn hao, mặc dù kích thước các phần tử lớn hơn Ngược lại, nền mỏng với hằng số điện môi cao hơn có thể được áp dụng cho các mạch vi sóng, giúp giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cho phép kích thước phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm là dẫn đến sự mất mát lớn hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất và băng thông Những vật liệu có hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 hoặc lớn hơn 12 thường ít được sử dụng trong thiết kế thương mại.
1.4.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải có nhiều thông số đặc trưng hơn so với các anten truyền thống, cho phép tối ưu hóa hiệu suất Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng hình học khác nhau, bao gồm hình vuông và các hình dạng khác, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng.
21 tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên, trong đó cấu trúc hình vuông là cấu trúc phổ biến và được sử dụng nhiều nhất như hình 1.10
Hình 1.10 Các dạng anten vi dải thông dụng
Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải
Anten patch vi dải là loại anten bao gồm một patch dẫn điện phẳng hoặc không phẳng trên một mặt của đế điện môi, với mặt phẳng đất ở mặt còn lại Mặc dù có nhiều dạng khác nhau, nhưng đặc tính bức xạ của anten patch vi dải thường giống nhau, hoạt động tương tự như một dipole Trong số các loại anten này, anten hình vuông và hình tròn là hai dạng phổ biến và được sử dụng rộng rãi.
Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số
Anten dipole vi dải có bề rộng nhỏ hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do, và đồ thị bức xạ của chúng tương tự như anten patch vi dải Tuy nhiên, các đặc tính như điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo lại có sự khác biệt rõ rệt Anten dipole vi dải rất phù hợp cho các ứng dụng ở tần số cao nhờ vào việc sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối.
Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn là rất quan trọng trong quá trình phân tích anten dipole vi dải, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến băng thông đạt được.
Antenna khe in ấn, hay Printed Slot Antenna, được cấu tạo từ một khe trong mặt phẳng đất của một đế nối đất, với nhiều hình dạng như hình chữ nhật, hình tròn hoặc hình nến Loại anten này có khả năng bức xạ theo hai hướng, tức là bức xạ trên cả hai mặt của khe Để tạo ra bức xạ đơn hướng, có thể sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe.
Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)
MTA là một cấu trúc bao gồm nhiều vật dẫn được kết nối với nhau hoặc một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và rộng để hỗ trợ chế độ truyền TE Đầu anten được nối đất, trong khi đầu còn lại được phối hợp trở kháng nhằm ngăn chặn hiện tượng sóng đứng Anten MTA có khả năng được thiết kế để hướng búp sóng chính theo bất kỳ phương nào, từ broadside đến endfire.
1.4.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác
Anten vi dải được ứng dụng rộng rãi trong dải tần từ 100MHz đến 100GHz, nổi bật với khả năng phát xạ hiệu quả cho nhiều mục đích sử dụng Mặc dù anten vi dải có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số khuyết điểm cần được cải thiện để tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị.
- 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
Tuy nhiên, anten này cũng tồn tại nhiều nhược điểm như:
- MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai
- Một số MSA có độ lợi thấp
- Khả năng tích trữ công suất thấp
- MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất
- Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối
MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%, đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng
1.4.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải
Anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi, do đó, kỹ thuật cấp nguồn ban đầu thường sử dụng đường truyền vi dải hoặc probe đồng trục nối đến patch kim loại Việc lựa chọn phương pháp cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn là quan trọng nhất, yêu cầu sự phối hợp trở kháng tối ưu Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng và uốn cong cũng có thể gây ra bức xạ rò và suy hao sóng mặt.
Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải
Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một lựa chọn tự nhiên, vì patch có thể được coi là một đường truyền vi dải hở, cho phép thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này gặp phải một số hạn chế, bao gồm sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước của nó so với patch là đáng kể.
Hình 1.11 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải
Cấp nguồn bằng probe đồng trục
Cấp nguồn qua probe là phương pháp cơ bản để truyền tải công suất cao tần, với phần lõi đầu feed nối với patch và phần ngoài nối với ground plane Ưu điểm của phương pháp này là thiết kế đơn giản và khả năng cấp nguồn tại mọi vị trí trên tấm patch, thuận tiện cho việc phối hợp trở kháng Tuy nhiên, nhược điểm bao gồm việc anten không hoàn toàn phẳng và mất tính đối xứng do đầu feed, tăng số lượng đầu nối khi cấp nguồn đồng trục cho dãy gây khó khăn trong chế tạo và giảm độ tin cậy Ngoài ra, để tăng băng thông anten, cần tăng bề dày lớp nền và chiều dài của probe, dẫn đến tăng bức xạ rò và điện cảm của probe.
Patch Điểm tiếp xúc điện
Hình 1.12 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục[2]
Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
Patch khe Đường cấp nguồn vi dải
Hình 1.13 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe
Phương pháp cấp nguồn được áp dụng để loại bỏ bức xạ không mong muốn từ đường microstrip line Cấu trúc này bao gồm hai lớp điện môi, trong đó anten patch được đặt ở lớp trên cùng, còn lớp ground nằm ở giữa với một khe hở nhỏ, và đường truyền feedline được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất.
Lớp điện môi dưới có hằng số điện môi cao, trong khi lớp trên có hằng số điện môi thấp, nhằm tối ưu hóa sự bức xạ của anten Tuy nhiên, phương pháp cấp nguồn này gặp khó khăn do yêu cầu nhiều lớp, dẫn đến việc tăng độ dày của anten và chỉ cho băng tần hẹp.
Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
CÔNG NGHỆ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG
Tổng quan về công nghệ băng siêu rộng
Mặc dù công nghệ UWB được xem là "mới", nhưng nó không dựa vào khám phá vật lý nào mới mẻ Các thí nghiệm đầu tiên về truyền tin bằng xung điện từ đã được thực hiện bởi Hertz vào năm 1893 và Marconi vào năm 1901 Tuy nhiên, vào thời điểm đó, băng tần chưa được kiểm soát, dẫn đến việc công nghệ này nhanh chóng bị thay thế bởi sóng mang Đến những năm 1960-1970, UWB mới thu hút sự chú ý khi Bộ Quốc phòng Mỹ nghiên cứu công nghệ này cho radar và truyền thông Sau năm 1990, sản phẩm thương mại sử dụng công nghệ UWB bắt đầu xuất hiện, và từ năm 2002, công nghệ này được công nhận và quy định bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ.
28 công nghệ UWB đã và đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi trên thế giới
Theo Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC), thiết bị UWB được định nghĩa là thiết bị có tỷ số độ rộng băng tần (Fractional Band Width) lớn hơn hoặc bằng 20% khi đo tại -10dB, hoặc có độ rộng băng tần tối thiểu 500MHz Trong đó, fH là tần số cao nhất, fL là tần số thấp nhất, và fC là tần số trung tâm của dải phổ UWB, được tính theo công thức 2.1.
Đối với các hệ thống có tần số trung tâm trên 2.5 GHz, yêu cầu độ rộng băng tần tuyệt đối phải lớn hơn 500 MHz Trong khi đó, các hệ thống với tần số trung tâm dưới 2.5 GHz cần có tỷ số độ rộng băng tần lớn hơn 20% Một định nghĩa phổ biến khác về UWB là sóng điện từ có tần số từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz, với độ rộng băng tần đạt 7.5 GHz.
Tín hiệu UWB (Ultra Wideband) có băng tần rộng, dẫn đến các xung rất hẹp Theo biến đổi Fourier, tín hiệu hẹp trong miền thời gian sẽ có phổ rộng trong miền tần số Hệ thống truyền thông UWB, hay còn gọi là hệ thống truyền xung vô tuyến (IR – UWB), thường phát các xung với chu kỳ ngắn, tạo ra độ rộng xung nhỏ Với công suất phát thấp và băng tần lớn, tín hiệu UWB gần như giống nhiễu trắng Xung Gaussian, hoặc đạo hàm của nó, thường được chọn làm xung phát trong các hệ thống UWB Để truyền tải thông tin, dữ liệu cần được điều chế vào chuỗi các xung Khi các xung được phát ở khoảng thời gian lặp lại, phổ thu sẽ có các đỉnh tần số tương ứng với độ lặp xung, và những tần số này là bội số của nghịch đảo tốc độ lặp xung.
Các xung đạo hàm bậc 3 hoặc bậc 5 của xung Gaussian với độ rộng dưới 1ns thường được áp dụng trong các hệ thống UWB Đây là một dạng xung UWB, và phổ của nó được minh họa trong hình 2.1.
Hình 2.1 Tín hiệu UWB và dạng phổ của nó[3]
Trong hệ thống IR – UWB, các xung hẹp được sử dụng để truyền tải thông tin, với thông tin được mã hóa dựa trên vị trí hoặc cực tính của từng xung Mỗi xung chiếm một khoảng thời gian trong một khung, và vị trí của chúng được xác định bởi mã nhảy thời gian Ví dụ, trong hình 2.2, có ba symbol thông tin được truyền đi, mỗi symbol được truyền tải bởi hai xung Vị trí của xung được xác định bởi TH; cụ thể, TH của symbol đầu tiên là {2,1}, tức là xung đầu tiên trong khung thứ nhất dịch đi 2 chu kỳ chirp (2T C), còn xung thứ hai dịch đi T C TH của symbol thứ hai là {2,3} và của symbol thứ ba là {1,0}.
Tín hiệu UWB truyền đi 3 symbol dựa vào vị trí và cực tính của xung Để tránh nhiễu cho các hệ thống hiện có như TV, GMS, UMTS, WLAN, GPS, UWB phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt về công suất phát xạ Theo FCC, công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) trong dải tần số 3.1 – 10.6 GHz không được vượt quá -41.3dBm/MHz, và công suất phát xạ còn phải thấp hơn khi tần số nằm ngoài dải này Các quy định cụ thể về công suất phát xạ cho các ứng dụng được minh họa trong hình 2.3.
Hình 2.3 Các quy định của FCC về công suất phát xạ UWB[3]
Các quốc gia như Nhật Bản và Châu Âu đang nỗ lực xây dựng quy định về UWB để phù hợp với điều kiện cụ thể của từng quốc gia Cụ thể, vào năm 2006, Bộ Nội vụ và Truyền thông Nhật Bản đã ban hành các quy định liên quan đến UWB, tiếp theo là các quy định từ Ủy ban Điện tử Truyền thông vào năm 2007.
Trong những năm qua, 31 quốc gia châu Âu đã thiết lập quy định về công nghệ UWB Sau đó, nhiều quốc gia khác như Hàn Quốc, Singapore và Trung Quốc cũng đã xây dựng các quy định tương tự Việt Nam cũng không đứng ngoài xu hướng này khi đưa ra các quy định chung đối với các thiết bị thông tin UWB.
Các yêu cầu về tương thích điện từ đối với các máy phát, máy thu, máy thu sử dụng công nghệ UWB dung cho thông tin cự ly ngắn
Quy chuẩn cho công nghệ thông tin UWB dựa trên xung và sóng mang vô tuyến, áp dụng cho các thiết bị cố định trong nhà, di động và xách tay.
Quy chuẩn cho thiết bị UWB bao gồm cả thiết bị có anten rời và anten liền Những thiết bị vô tuyến này hoạt động trên các dải tần được chỉ định cho thông tin UWB, phù hợp với quy hoạch tần số vô tuyến điện quốc gia Việt Nam.
Các quy chuẩn này được áp dụng cho các cơ quan, tổ chức và cá nhân liên quan đến sản xuất, nhập khẩu và khai thác thiết bị trong lĩnh vực công bố và chứng nhận hợp quy thiết bị thông tin băng siêu rộng.
Ưu điểm và thách thức của UWB
Các ưu diểm của UWB có thể tổng kết là:
- Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm
Công nghệ UWB nổi bật với tốc độ cao, cho phép phát triển các ứng dụng và thiết bị mới chưa từng có Với tốc độ vượt quá 100Mb/s, UWB có khả năng đạt được tốc độ này ở khoảng cách ngắn.
Biểu thức Shanon được biểu diễn: log(1 S)
Trong đó C là dung lượng kênh tối đa của kênh, với đơn vị [b/s], B là băng tần kênh [Hz], S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W]
Biểu thức này chỉ ra ba phương pháp để tăng dung lượng kênh: tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hoặc giảm tạp âm Dung lượng kênh tăng tuyến tính với công suất tín hiệu S Kênh UWB có băng tần rộng lớn, cho phép tăng độ rộng băng tần nhằm giảm công suất phát và nhiễu cho các nguồn vô tuyến khác Theo biểu thức Shannon, các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ cao cho truyền thông không dây Tuy nhiên, công nghệ UWB vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức.
Các hệ thống vô tuyến cần tuân thủ quy định để tránh gây nhiễu lẫn nhau UWB, với băng tần rộng, có thể ảnh hưởng đến nhiều người dùng khác trong dải tần này, đặc biệt là những người có quyền sử dụng độc quyền Do đó, việc giải quyết vấn đề phổ tần là rất quan trọng trong hệ thống UWB để đảm bảo không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại.
Một trong những thách thức lớn đối với các nhà sản xuất là việc chấp nhận các tiêu chuẩn nhằm đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB Hiện tại, sự thiếu nhất trí về các tiêu chuẩn có thể dẫn đến xung đột giữa các thiết bị và tiêu chuẩn khác nhau.
Mặc dù giá thành thiết bị UWB thấp, nhưng sự phức tạp trong việc loại bỏ nhiễu và yêu cầu vận hành ở công suất thấp có thể khiến giá thành của nó tương đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại.
Các tiêu chuẩn về UWB
Trong bối cảnh hệ thống, hầu hết các hệ thống thông tin hiện đại cung cấp các dịch vụ tương đồng như IP, dữ liệu, thoại và video Sự khác biệt giữa các hệ thống và công nghệ chủ yếu nằm ở hạ tầng mạng Theo mô hình tham chiếu OSI, các hệ thống thông tin được phân biệt dựa trên lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển đa truy nhập (MAC) Do đó, sau khi được FCC thừa nhận, các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính năng và hiệu suất của từng hệ thống.
33 tổ chức chuẩn hóa toàn cầu đã tích cực tham gia vào việc chuẩn hóa công nghệ UWB ở lớp MAC và PHY Viện các kỹ sư điện tử (IEEE) đã nỗ lực trong việc chuẩn hóa UWB cho lớp vật lý của tiêu chuẩn IEEE 802.15 WPAN Đặc biệt, IEEE đã thành lập hai nhóm làm việc 802.15.3a và 802.15.4a để chuẩn hóa mạng IEEE 802.15.3 WPAN tốc độ cao và IEEE WPAN 802.15.4a tốc độ thấp.
Nhóm làm việc IEEE 802.15.3a (TG3a) đã xem xét nhiều đề nghị chuẩn hóa lớp PHY và cuối cùng chỉ còn lại hai đề nghị chính Đề nghị đầu tiên dựa trên điều chế sóng mang trực giao đa băng tần (MB-OFDM UWB) do Wimedia Alliance đưa ra, trong khi đề nghị thứ hai dựa trên chuỗi nhảy tần trực tiếp từ UWB forum Tuy nhiên, kết quả cuối cùng không thể thống nhất, dẫn đến việc nhóm làm việc này bị giải thể.
2006 Dù nhóm làm việc bị giải thể nhưng những sản phẩm tuân theo MB-OFDM UWB và DS –UWB vẫn được sản xuất và tung ra thị trường
UWB không chỉ phù hợp với mạng WPAN tốc độ cao mà còn thích hợp cho mạng WPAN tốc độ thấp, tập trung vào các thiết bị đơn giản và tiêu thụ năng lượng thấp Năm 2004, IEEE thành lập nhóm làm việc IEEE 802.15.4a (TG-4a) để chuẩn hóa UWN cho lớp PHY của chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn IEEE 802.15.4a mang lại khả năng định vị và đo lường chính xác cao, đồng thời cung cấp thông lượng lớn và công suất tiêu thụ rất thấp.
2.4.1 Tiêu chuẩn ECMA dựa trên MB-OFDM UWB
Cuối năm 2005, Ecma International đã xác nhận hai tiêu chuẩn công nghệ UWB dựa trên MB, bao gồm ECMA-368 và ECMA-369 Các tiêu chuẩn này định nghĩa các lớp PHY và MAC cho mạng cá nhân tốc độ cao, phạm vi hẹp WPAN, sử dụng dải tần số từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz và đạt tốc độ dữ liệu lên đến 480Mbps.
Theo tiêu chuẩn của Ecma, dải tần làm việc từ 3.1 đến 10.6 GHz được chia thành 14 băng tần, với độ rộng băng tần là 528 MHz Trong đó, 12 băng tần đầu tiên được nhóm thành 4 nhóm, mỗi nhóm gồm 3 băng con, trong khi 2 băng tần cuối cùng tạo thành một nhóm băng tần riêng biệt.
34 thứ 5 Tần số trung tâm của băng con thứ n, có thể được xác định theo công thức (2.2)
Bài viết đề cập đến việc sử dụng mã thời gian tần số (TFC) và đan xen thời gian tần số (TFI) để triển khai 110 sóng mang con, bao gồm 100 sóng mang chính và 10 sóng mang bảo vệ Cấu trúc của bộ thu phát tương tự như các bộ thu phát OFDM thông thường, áp dụng mã chập tuyến tính và phương pháp sửa lỗi sau khi phát đi (FCC) với nhiều tốc độ mã khác nhau, cho phép phát hiện và sửa lỗi hiệu quả Trước khi điều chế, dữ liệu được gán với biểu đồ chòm sao để tương thích với các tốc độ truyền dữ liệu khác nhau.
Lớp MAC được thiết kế cho thiết bị đầu cuối di động, hoạt động theo nguyên tắc phân tán chức năng, sử dụng cả hai phương thức đa truy nhập CSMA và TDMA để đảm bảo chia sẻ băng tần công bằng Sự kết hợp giữa lớp PHY và MAC trong tiêu chuẩn Ecma cho phép truyền thông tốc độ cao mà không cần hạ tầng mạng giữa các thiết bị di động và điện tử.
Năm 2004, nhóm làm việc 802.15.4a được thành lập để chuẩn hóa các đặc tả cho lớp PHY của chuẩn IEEE 802.15.4 WPAN tốc độ thấp Mục tiêu của chuẩn này là phát triển các mạng WPAN truyền thông tốc độ thấp với khả năng hỗ trợ định vị và đo lường chính xác, đồng thời đảm bảo tiêu thụ năng lượng và chi phí thiết bị ở mức thấp Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a cho phép các tốc độ truyền dữ liệu từ 0.11 đến 27.24 Mbps.
Chuẩn IEEE 802.15.4a quy định hai lựa chọn cho định dạng tín hiệu: Impulse Radio UWB và Chirp Sequence Spectrum (CSS) IR-UWB hoạt động trong các băng tần từ 250-750 MHz, 3.244-4.742 GHz và 5.944-10.234 GHz, trong khi CSS hoạt động ở băng tần 2.4-2.4835 GHz IR-UWB hỗ trợ nhiều ứng dụng truyền thông khác nhau.
IEEE 802.15.4a quy định ba dải tần cho các thiết bị thu phát UWB, bao gồm sub-GHz (250-750MHz), low band (3.244-4.742GHz) và high band (5.944-10.234GHz) Mỗi dải tần này được chia thành 16 băng tần, với 1 băng tần trong dải sub-GHz, 4 băng tần trong dải low band và 11 băng tần trong dải high band Các thiết bị thu phát UWB có khả năng sử dụng một hoặc nhiều băng tần từ các dải tần này.
Phương thức điều chế trong IEEE 802.15.4a kết hợp giữa điều chế vị trí nhóm xung (BPM) và khóa dịch pha nhị phân (BPSK), cho phép mỗi symbol truyền tải 2 bit Mỗi symbol được chia thành 2 đoạn gọi là T BPM, trong đó một nhóm các xung được truyền đi với vị trí xác định bởi mã nhảy thời gian TH, truyền tải 1 bit Bit còn lại được truyền tải dựa vào cực tính của xung Để phát hiện và sửa lỗi, các mã Reed-Solomon (RS) và mã chập tuyến tính được sử dụng, với tốc độ mã được điều chỉnh phù hợp với các tốc độ truyền dữ liệu khác nhau.
Sơ đồ bộ phát và bộ thu trong UWB
Sơ đồ khối bộ phát UWB được trình bày trong hình 2.6, trong đó dữ liệu được tạo ra từ các ứng dụng khác nhau tại tầng vật lý của bộ phát Các ứng dụng này có thể bao gồm thuê bao email, duyệt web từ máy tính cá nhân, ứng dụng lịch trên PDA, hoặc dữ liệu từ các máy chơi DVD Tầng vật lý cho phép dữ liệu có thể là bất kỳ loại nào, và phần này của thiết bị vô tuyến thường được gọi là back end.
Dòng thông tin nhị phân được truyền qua phần "front end" của bộ phát, trong đó các phương pháp điều chế cao hơn sử dụng điều chế nhị phân để chuyển đổi các bit thành ký hiệu, với mỗi ký hiệu đại diện cho nhiều bit Những ký hiệu này được ánh xạ bởi bộ tạo xung, đòi hỏi một mạch định thời chính xác hơn, thường nhỏ hơn một độ rộng xung.
Các xung có thể được điều chỉnh biên độ trước khi phát Thông thường, để đáp ứng yêu cầu phổ công suất, không cần thiết phải sử dụng hệ số khuếch đại lớn và có thể bỏ qua nó.
Mẫu bộ phát này rất đơn giản, không sử dụng phương pháp sửa lỗi, nhằm mục đích mô tả các bộ thu phát cơ bản.
Hình 2.5 Sơ đồ bộ phát UWB
Sơ đồ khối bộ thu UWB
Sơ đồ khối của bộ thu UWB được minh họa trong hình 2.6, cho thấy cách bộ thu hoạt động ngược lại với bộ phát để khôi phục và truyền dữ liệu đến các ứng dụng "back end" cần thiết.
Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ thu UWB[3]
Bộ thu và bộ phát có hai sự khác biệt chính Thứ nhất, hầu hết các bộ thu cần một bộ khuếch đại để tăng cường công suất của các tín hiệu yếu mà chúng nhận được Thứ hai, bộ thu phải thực hiện chức năng dò tìm và bắt tín hiệu để xác định các thông tin cần thiết.
Trong số 37 xung cần thiết, việc liên tục bám sát các xung này là quan trọng để điều chỉnh sự mất cân đối xung đồng hồ giữa bộ thu và bộ phát Một số máy thu cải tiến bao gồm bộ thu tối ưu, bộ thu Rake, bộ thu giải tương quan, bộ thu tuyến tính với lỗi trung bình phương tối thiểu, và bộ thu thích ứng.
Những ứng dụng của công nghệ UWB
UWB (Ultra-Wideband) sở hữu những đặc điểm nổi bật so với các hệ thống thông tin truyền thống, bao gồm xung hẹp, công suất phát thấp và khả năng hoạt động đồng thời với các hệ thống khác mà không gây nhiễu Điều này khiến UWB trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống thông tin dân dụng hiện nay, nơi yêu cầu thiết bị nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp và dễ triển khai Bài viết này sẽ khám phá các ứng dụng tiềm năng của UWB trong ba lĩnh vực chính: truyền thông, radar, và đo lường, định vị.
Hình 2.7 Kết nối các thiết bị sử dụng UWB
2.6.1 Mạng truyền thông tốc độ thấp
Giải pháp truyền dẫn cho mạng truyền thông vô tuyến tốc độ thấp và phạm vi hẹp hiện nay chủ yếu là hồng ngoại, sóng siêu âm và sóng Bluetooth, nhưng thường gặp phải các vấn đề như suy giảm, fading, shadowing và không thể truyền qua chướng ngại vật, gây can nhiễu lẫn nhau Công nghệ UWB với công suất phát thấp và dải tần số hoạt động rộng, kết hợp với các phương pháp điều chế xung hợp lý, có khả năng khắc phục những nhược điểm này Trong tương lai gần, UWB hứa hẹn sẽ trở thành một giải pháp truyền dẫn hiệu quả cho các ứng dụng mạng không dây.
UWB (Ultra Wideband) là công nghệ kết nối thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột và máy in, cho phép chúng hoạt động đồng thời mà không gây cản trở lẫn nhau Ngoài ra, UWB còn được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây (WSN) và mạng vô tuyến trong cơ thể (WBAN), giúp thu thập thông tin môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và thông tin y tế như tín hiệu điện tâm đồ, nồng độ oxy trong máu Các thiết bị trong mạng này yêu cầu nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và dễ triển khai Với công suất phát xạ thấp và cấu trúc đơn giản, UWB rất phù hợp cho các ứng dụng này.
2.6.2 Mạng truyền thông tốc độ cao
Nhu cầu truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong không gian hạn chế đang gia tăng mạnh mẽ, đặc biệt cho các ứng dụng đa phương tiện như video HD và Internet tốc độ cao, đòi hỏi băng thông lớn hơn 1Gbps Công nghệ UWB (Ultra Wideband) hoàn toàn phù hợp với nhu cầu này nhờ vào băng tần siêu rộng mà nó cung cấp Việc sử dụng UWB cho phép các thiết bị giải trí trong gia đình như TV, máy chiếu, và máy nghe nhạc kết nối và chia sẻ dữ liệu tốc độ cao mà không cần dây cáp rườm rà Ngoài ra, các thiết bị cầm tay như laptop, PDA và smartphone cũng có thể dễ dàng kết nối và chia sẻ dữ liệu với nhau và với các thiết bị điện tử khác, mở ra một kỷ nguyên “hoàn toàn không dây” cho ngôi nhà trong tương lai gần.
Radar (Phát hiện và định vị bằng sóng radio) là thiết bị dò tìm mục tiêu bằng sóng vô tuyến, thường được sử dụng trong quân đội Các radar truyền thống có công suất lớn, kích thước cồng kềnh và chi phí cao, không phù hợp cho mục đích dân dụng Tuy nhiên, radar có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày như phát hiện và theo dõi mục tiêu trong nhà, ngăn chặn va chạm giao thông trong điều kiện tầm nhìn kém và hỗ trợ chẩn đoán y tế.
Radar UWB với 39 điểm vốn có cung cấp khả năng phân giải cao giữa các mục tiêu, cho phép phát hiện chính xác ngay cả những mục tiêu nhỏ và gần nhau Tín hiệu UWB có khả năng xuyên qua các chướng ngại vật như tường gạch, bê tông, gỗ và đất, tạo điều kiện cho việc "nhìn xuyên tường." Ứng dụng này rất hữu ích trong các tình huống cứu hộ, cứu nạn, chống tội phạm và rà phá bom mìn Ngoài ra, công suất phát thấp và cấu trúc bộ thu phát đơn giản giúp giảm giá thành thiết bị.
Công nghệ UWB được ứng dụng trong hệ thống radar giao thông và cảm biến, giúp cải thiện các vấn đề liên quan đến chuyển động ở khoảng cách ngắn Với độ chính xác cao trong định vị, UWB có thể xây dựng các hệ thống điều khiển giao thông thông minh, giảm thiểu tai nạn và nâng cao hiệu quả hoạt động của túi khí bảo hiểm Ngoài ra, UWB còn hỗ trợ điều khiển giao thông và điều chỉnh chế độ hoạt động theo tình trạng giao thông Kỹ thuật UWB cũng có khả năng tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trong phương tiện, thông qua việc thu thập dữ liệu từ các bộ phát UWB dọc theo hai bên đường.
2.6.4 Định vị và đo lường
Việc xác định và đo lường vị trí người dùng là rất quan trọng trong cứu nạn khẩn cấp và giám sát an ninh Trong khi hệ thống định vị toàn cầu (GPS) thường được sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời, nó lại không đáng tin cậy cho định vị trong nhà do sai số lớn Chẳng hạn, khi triển khai mạng cảm biến không dây để giám sát môi trường tại khu rừng, nhà máy hoặc tòa nhà, chức năng định vị giúp phát hiện những thay đổi đột ngột về môi trường như hỏa hoạn hoặc nồng độ chất độc vượt mức cho phép Công nghệ UWB nổi bật với độ phân giải cao, cho phép định vị chính xác đến mm, và nhờ vào việc sử dụng các xung hẹp, tín hiệu UWB ít bị can nhiễu hơn so với các tín hiệu khác Dưới đây là bảng tóm tắt về ưu và nhược điểm của công nghệ UWB.
Các ưu điểm Ý nghĩa Các nhược điểm Ý nghĩa
Hoạt động không đồng thời với các hệ thống khác mà không cần cấp phép
Xung bị méo dạng Giảm chất lượng máy thu
Công suất phát thấp hoạt động với
Khó bị phát hiện, tăng cường bảo mật Đồng bộ cao Tốc độ chuyển đổi A/D lớn Ít chịu ảnh hưởng bởi nhiễu
Cho phép hoạt động trong các môi trường phức tạp, nhiều chướng ngại vật
Can nhiễu đa truy cập
Khó phân bố tài nguyên đồng đều cho nhiều người sử dụng
Cấu trúc thu phát đơn giản
Cho phép chế tạo thiết bị đầu cuối nhỏ gọn tiêu thụ ít năng lượng, dễ dàng chế tạo hệ thống nhúng
Phạm vi truyền tin hẹp
Bảng 2.1 Những ưu diểm và nhược điểm của công nghệ UWB
Tín hiệu UWB (Ultra-Wideband) có nhiều đặc điểm nổi bật, bao gồm khả năng xuyên vật thể và độ chính xác cao trong định vị, khiến cho công nghệ này trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng như truyền thông, radar, và chụp ảnh Với những ưu điểm vượt trội trong lĩnh vực truyền thông, UWB không chỉ đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu hiệu quả mà còn cho phép tích hợp đồng thời nhiều ứng dụng trên cùng một nền tảng công nghệ.
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN BĂNG SIÊU RỘNG
Giới thiệu chương
Chương 3 thực hiện bài toán thiết kế và mô phỏng anten vi dải có băng siêu rộng hoạt động trong dải tần số từ 3.1÷10.6GHz Anten sử dụng cấu trúc như công trình nghiên cứu số [5] Anten thiết kế sử dụng mặt bức xạ hình tròn trên nền vật liệu điện môi FR4-proxy với hằng số điện môi r 4.7, độ dày H 1.5mm, mô phỏng trên phần mềm CST.
Giới thiệu phần mềm CST
CST Studio Suite là phần mềm mô phỏng điện từ toàn diện, bổ sung cho công cụ mô phỏng cơ học, đáp ứng nhu cầu mô phỏng trước khi chế tạo sản phẩm thực tế Phần mềm này cung cấp giải pháp đa dạng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, với phiên bản 2015 mới nhất mở rộng tính linh hoạt và cải thiện hiệu suất mà không ảnh hưởng đến khả năng sử dụng Giao diện người dùng được thiết kế để hỗ trợ người thiết kế trong việc thiết lập mô phỏng EM, cùng với tối ưu hóa cho các bộ vi xử lý thế hệ mới và hỗ trợ nhiều kỹ thuật tính toán hiệu năng cao, mang lại sự đổi mới năng suất cho người dùng.
CST Studio Suite cung cấp hiệu quả vượt trội trong việc thiết lập lưới và rút ngắn thời gian mô phỏng cho cả miền thời gian và tần số, từ đó nâng cao hiệu suất cho người dùng khi mô phỏng các hệ thống phức tạp.
2 tỷ tế bào lưới bây giờ giúp cho việc mô phỏng trong miền thời gian trơ nên linh hoạt giải quyết phù hợp với các vấn đề lớn
Phần mềm CST Studio Suite hỗ trợ nhiều thiết kế và phân tích, cho phép giao tiếp với các công cụ thiết kế vi mạch, chương trình CAD và mô phỏng mạch RF/hệ thống Nhờ đó, CST Studio Suite có thể tích hợp vào nhiều quy trình công việc thiết kế khác nhau.
CST Studio Suite tích hợp nhiều công cụ phần mềm chuyên dụng, mở rộng tính năng cho người dùng Các công cụ này bao gồm CST Broad Check để kiểm tra EMC và SI, quy tắc kiểm tra thiết kế PCB, Antenna Magus cho việc tổng hợp anten, Optenni Lab nhằm tối ưu hóa mạch, và phát ra để phân tích mạch và mô phỏng anten Tất cả các tính năng này được hỗ trợ qua các kênh của CST, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người sử dụng.
CST Studio Suite là một bộ công nghệ mô phỏng đa dạng, tích hợp trong giao diện phần mềm, giúp người dùng thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau và lựa chọn công nghệ tối ưu nhất cho từng tình huống.
Xương sống của CST Studio Suite là hệ thống hội và mô hình hóa, cho phép thực hiện các mô phỏng phức tạp thông qua việc chia nhỏ thành các nhiệm vụ đơn giản Hệ thống này hỗ trợ mô phỏng đa lĩnh vực và kết nối các mô phỏng với nhau bằng cách sử dụng các cổng và màn hình để truyền dữ liệu giữa các tác vụ.
CST Studio Suite 2015 hỗ trợ người dùng trong việc thiết lập môi trường thiết kế hiệu quả Bằng cách nhập yêu cầu thiết kế và chọn mô phỏng phù hợp, người dùng có thể dễ dàng thấy được hướng giải quyết và thiết lập ban đầu được đề xuất Điều này giúp đơn giản hóa quá trình thiết lập mô phỏng cho các dự án có yêu cầu kỹ thuật tương tự.
CST cung cấp hỗ trợ cho nhiều loại vật liệu, từ vật liệu sắt từ đến plasma Phiên bản 2015 mang đến cho người dùng đa dạng vật liệu phù hợp với nhu cầu thiết kế và mô phỏng các thiết bị hiện đại, đáp ứng yêu cầu công nghệ cao.
Các phương pháp thiết kế anten vi dải băng thông siêu rộng
Công nghệ UWB đang ngày càng được chú trọng phát triển nhờ vào nhiều lý do quan trọng Đầu tiên, tần số UWB hoàn toàn miễn phí, trong khi hầu hết các dải tần số khác đã được cấp phép sử dụng, điều này giúp dễ dàng áp dụng UWB hơn Thứ hai, với sự bùng nổ của các thiết bị kỹ thuật số và thông minh, việc có một tiêu chuẩn giao tiếp vô tuyến giữa các thiết bị là rất cần thiết, và UWB với băng thông rộng và công suất thu phát thấp hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu này Cuối cùng, đặc điểm công suất phát thấp và cấu trúc máy thu phát đơn giản của UWB giúp tạo ra các thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, giá thành rẻ và tiết kiệm năng lượng, từ đó thúc đẩy nhu cầu thiết kế và chế tạo anten UWB.
Các bước thiết kế anten được sử dụng ở đây bao gồm:
Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp
Mô hình anten vi dải được thiết kế để tích hợp vào các thiết bị di động sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng Anten monopole đồng phẳng này có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản và được sản xuất bằng công nghệ mạch in, giúp giảm chi phí Với thiết kế phẳng, anten này phù hợp cho các thiết bị trong hệ thống máy tính cá nhân và thiết bị cầm tay trong nhà.
Chọn nguyên lý tạo anten băng rộng thích hợp để thiết kế
Có ba nguyên lý cơ bản để tạo băng rộng cho anten: nguyên lý biến đổi từ từ, nguyên lý tương tự và nguyên lý tự bù Tuy nhiên, trong thực tế, các nhà thiết kế có thể áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để đạt được băng rộng cho anten.
Bài viết đề cập đến 44 hình thiết kế anten vi dải UWB, trong đó nguyên lý biến đổi từ từ được áp dụng để tạo băng rộng Kỹ thuật này thực hiện bằng cách tăng dần kích thước của đường tiếp điện từ ống dẫn sóng đồng phẳng đến miếng bức xạ của anten.
Chọn phương pháp tiếp điện thích hợp
Trong thiết kế anten, việc lựa chọn phương pháp tiếp điện là rất quan trọng, đặc biệt đối với anten vi dải Ba phương pháp tiếp điện phổ biến bao gồm: cáp đồng trục, đường truyền vi dải và ống dẫn sóng đồng phẳng Lựa chọn phương pháp phù hợp giúp dễ dàng phối hợp trở kháng giữa feeder và anten, đồng thời ảnh hưởng đến kích thước và thuộc tính của anten Mô hình anten được thiết kế sử dụng cấu trúc tiếp điện bằng đường truyền vi dải, giúp thu nhỏ kích thước anten nhờ vào cấu trúc mỏng Các thiết kế anten hiện đại cho thấy việc sử dụng đường truyền vi dải còn cho phép mở rộng băng thông Một ví dụ điển hình là anten vi dải băng siêu rộng UWB với mặt bức xạ hình vuông.
Hình 3.1 Anten UWB với mặt bức xạ hình chữ nhật Anten băng siêu rộng sử dụng mặt bức xạ hình tròn
Hình 3.2 Anten UWB với mặt bức xạ hình tròn
Anten băng siêu rộng sử dụng mặt bức xạ hình elip
Hình 3.3 Anten UWB với mặt bức xạ hình elip[5]
Nhiều cấu trúc anten đang được xem xét cho công nghệ UWB, trong đó anten có mặt bức xạ hình tròn được ưu tiên nhờ vào tính đơn giản trong chế tạo, băng tần rộng và khả năng đáp ứng yêu cầu của UWB Bài viết này sẽ trình bày thiết kế và mô phỏng anten băng siêu rộng với mặt bức xạ hình tròn, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các kích thước đến các đặc tính của anten.
Thiết kế anten vi dải băng siêu rộng với cấu trúc mặt bức xạ hình tròn
Anten được thiết kế là một đĩa tròn phẳng với bán kính 7mm, sử dụng cấu trúc bức xạ kết hợp với đường truyền vi dải có trở kháng 50Ω Nó được chế tạo trên nền điện môi FR 4, có độ dày 1.5mm và hằng số điện môi là 4.7.
Chiều dài và chiều rộng của mặt đất lần lượt là L 1 42 mm và W g 16 mm Bán kính hiệu dụng của mặt bức xạ được tính theo công thức:
Trong đó: c là vận tốc ánh sáng trong chân không
46 f r là tần số trung tâm f r 6.85 GHz
r là hằng số điện môi
(3.2) Độ tăng bán kính r được tính theo công thức:
Thay số r 4.7 , h H 1.5 mm , f 6.85 GHz ta được:
F , r e 6 mm , r 0.5 mm Bán kính thực của mặt bức xạ được tính theo công thức: e 2 r r r (3.5)
Thay số r e 6 mm và r 0.5 mm vào (3.5) ta thu được r 7 mm Độ rộng của mặt đất được tính theo công thức:
Thay số ta thu được L 1 16 mm
Kỹ thuật tiếp điện bằng đường truyền vi dải cho phép kết nối một dải dẫn trực tiếp đến cạnh của mặt bức xạ anten vi dải Dải dẫn này được thiết kế đồng bộ trên cùng bề mặt với mặt bức xạ, tối ưu hóa hiệu suất truyền tín hiệu.
Chiều rộng của dải dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của mặt bức xạ Kích thước của dải dẫn (W 1 , L f ) được xác định như sau:
Trở kháng đặc tính của đường truyền là: Z 0 50
Chiều rộng của dải dẫn được tính theo công thức 3.7
Thay số với h H 1.5 mm , r 4.7 ta có W 1 2.887 mm
Cấu trúc của anten được cho như hình 3.4
Sử dụng phần mềm CST để thiết kế anten ta thu được hình ảnh anten như hình 3.5 dưới đây
7 mm a Mặt đất của anten b Mặt bức xạ của anten
Hình 3.5 Hình ảnh anten mô phỏng bằng phần mềm CST
Mô phỏng trên phần mềm CST ta thu được kết quả của hệ số suy hao S11, hệ số sóng đứng SWR tương ứng như trên hình 3.6 và 3.7
Hình 3.6 Hệ số suy hao S 11 của anten với r = 7mm
Hình 3.7 Hệ số sóng đứng SWR của anten với r = 7mm
Kết quả cho thấy anten hoạt động hiệu quả trong dải tần từ 2.4 đến 3.2 GHz với hệ số sóng đứng tối đa đạt 3.6572 Tuy nhiên, dải tần của anten chưa đạt yêu cầu thiết kế Do đó, cần tiến hành khảo sát sự thay đổi kích thước mặt đất và bán kính mặt bức xạ để tối ưu hóa các thông số của anten.
3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của bán kính mặt bức xạ lên các thông số của anten
Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của bán kính mặt bức xạ r ta thu được hệ số phản xạ S11, hệ số sóng đứng SWR tương ứng hình 3.8, 3.9
Hình 3.8 Khảo sát ảnh hưởng của r lên hệ số suy hao S11 của anten
Hình 3.9 Khảo sát ảnh hưởng của r lên hệ số sóng đứng SWR
3.4.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng mặt đất lên các thông số của anten
Khảo sát độ rộng của mặt phẳng đất W g với các giá trị lần lượt là 16mm, 17mm và 19mm đã cho ra hệ số phản xạ S11 và hệ số sóng đứng SWR tương ứng, như thể hiện trong hình 3.10 và 3.11.
Hình 3.10 Ảnh hưởng của độ rộng mặt phẳng đất lên hệ số suy hao S 11
Hình 3.11 Ảnh hưởng của độ rộng mặt đất lên hệ số sóng đứng SWR
3.4.4 Kết quả và thảo luận
Kích thước của anten sau khi tối ưu tương ứng với bán kính , độ rộng mặt đất và độ rộng dải dẫn
Kết quả mô phỏng trên hình 3.12 cho thấy anten đã hoạt động đúng dải tần số yêu cầu từ 3.1÷10.6 GHz
Hình 3.12 Hệ số suy hao S 11
Hệ số sóng đứng SWR đạt tối đa là 1.89 trong dải tần thiết kế
Hình 3.13 Hệ số sóng đứng SWR Anten phối hợp trở kháng ở 52.74Ω tại tần số trung tâm 6.85GHz
Anten có trở kháng phối hợp 52.74Ω tại tần số trung tâm 6.85GHz, khác với giá trị thiết kế ban đầu là 50Ω, cho thấy một sự sai lệch do anten hoạt động trong băng tần rộng từ 3.1 đến 10.6 GHz, khiến việc đạt được trở kháng chính xác trở nên khó khăn Độ lợi của anten đạt 3.94dB tại 6.85GHz và 3.1GHz, trong khi tại 10.6GHz, độ lợi giảm xuống còn 3.64dB, như được thể hiện trong các hình 3.15, 3.16 và 3.17.
Hình 3.15 Độ lợi anten tại tần số 3.1GHz
Hình 3.16 Độ lợi của anten tại tần số 6.85GHz
Hình 3.17 Độ lợi của anten tại tần số 10.6GHz
Kết luận về đồ án thiết kế và mô phỏng anten vi dải băng siêu rộng cho thấy cấu trúc mặt bức xạ hình tròn mang lại hiệu quả cao và phù hợp với lý thuyết Hướng phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế để nâng cao hiệu suất và ứng dụng thực tiễn của anten.
Anten vi dải băng siêu rộng với cấu trúc mặt bức xạ hình tròn mang lại hiệu suất mô phỏng tốt, hệ số suy hao thấp trong dải tần từ 3.1GHz đến 10.6GHz, với hệ số sóng đứng SWR luôn nhỏ hơn 2 và độ lợi dương ổn định Anten này phù hợp cho các ứng dụng trong công nghệ UWB.
Đồ án đã giới thiệu phần mềm mô phỏng CST chuyên dụng, hướng dẫn cách thiết kế và xây dựng anten bằng phần mềm này, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai vào thực tế.
Trong tương lai, đồ án sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển hệ thống anten vi dải với cấu trúc mặt bức xạ hình tròn, nhằm mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Việc hoàn thiện thiết kế sẽ giúp việc áp dụng vào thực tế trở nên dễ dàng hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về dịch vụ viễn thông chất lượng cho người dân.