Thiết kế anten 2 băng cho thiết bị cầm tay

Trong bài báo này, một anten mạch dải được đề xuất với kích thước 46-28 mm. Anten hoạt động trong cả 2 băng tần sử dụng cho 3G và 4G, với VSWR-2. Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu cấu trúc và tính toán các tham số của anten. Cuối cùng, chế tạo và đo kiểm anten đề xuất nhằm kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của anten trong các thiết bị cầm tay.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế anten 2 băng cho thiết bị cầm tay Nghiên cứu khoa học công nghệ ThiÕt kÕ anten hai b¨ng cho thiÕt bÞ cÇm tay HÀ QUỐC ANH, NGUYỄN VĂN TRUNG, NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Tóm tắt: Trong bài báo này, một anten mạch dải được đề xuất với kích thước 46  28 mm. Anten hoạt động trong cả 2 băng tần sử dụng cho 3G và 4G, với VSWR  2. Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu cấu trúc và tính toán các tham số của anten. Cuối cùng, chế tạo và đo kiểm anten đề xuất nhằm kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của anten trong các thiết bị cầm tay. Từ khóa: Anten hai băng, Anten mạch dải, Thiết bị cầm tay. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị cầm tay ngày càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ và đa dịch vụ. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị cũng như mở rộng băng tần dịch vụ của thiết bị. Trong đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và anten mạch dải là loại anten được sử dụng phù hợp cho giải pháp này. Đã có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế anten đa băng sử dụng cho thiết bị cầm tay được công bố những năm gần đây. Kết quả đưa ra trong [1, 2] là các thiết kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần, nhưng các anten có kích thước tương đối lớn. H. M. R Nurul [3] đưa ra cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30  23 mm), ứng dụng cho thiết bị cầm tay hoạt động ở cả 2 dải tần 3G và WLAN, nhưng băng thông của anten thiết kế cho 3G hẹp (40 MHz, với VSWR ≤ 2). M. N. Shakib [4] đưa ra cấu trúc anten phẳng dạng chữ W có hệ số tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76  50 mm). C. H. Chang [5] đưa ra cấu trúc anten đa băng cho thiết bị di động, anten có kích thước nhỏ (40  7 mm) nhưng có băng thông hẹp, xét với VSWR ≤ 2. Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten và đề xuất cấu trúc anten 2 băng cho thiết bị di động, dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử [6]. Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS để tiến hành tính toán, khảo sát cấu trúc anten đặt trên tấm mạch in sử dụng lớp điện môi FR4. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,7 GHz bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G. 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ANTEN HAI BĂNG 2.1. Lựa chọn cấu trúc anten Với mục tiêu thiết kế anten cho thiết bị di động cầm tay là phải đặt gọn anten bên trong thiết bị, khi đó anten mạch dải là lựa chọn phù hợp. Hơn nữa, anten mạch dải dễ chế tạo. Vì vậy, để thuận tiện cho việc gia công chế tạo cũng như đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của anten cho thiết bị di động, tác giả đã lựa chọn vật liệu thiết kế anten mạch dải là loại mạch in hai lớp kim loại đồng, lớp nền là chất điện môi FR4 có độ dày 1,6 mm, hằng số điện môi  = 4,4 và hệ số tổn hao tan  = 0,02. Mục tiêu là thiết kế anten có cấu trúc đơn giản, đồng phẳng, kích thước nhỏ, công tác ở dải tần 3G (1,9 GHz - 2,17 GHz) và 4G (2,55 GHz - 2,65 GHz), với VSWR  2. Để thiết kế anten 2 băng, tác giả dựa vào phương pháp phân nhánh anten chấn tử, mỗi nhánh ứng với mỗi băng tần công tác. Hai nhánh anten cùng chung một đoạn mạch dải cấp nguồn (Hình 1). Việc xác định chiều dài của mỗi nhánh anten dựa vào chiều dài điện của mỗi nhánh anten, với bước sóng công tác được xác định λ = c/f0, tại tần số trung tâm f0 tương ứng của dải tần công tác 3G là 2,0 GHz và 4G là 2,6 GHz. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 31  Ra đa Theo [7], xác định được độ rộng của đoạn mạch dải cấp nguồn wf, tính theo công thức tính trở kháng đầu vào của anten mạch dải: 60  8h w f  wf Z0  ln    [], khi  1 . Hoặc:  eff  wf 4h  h  1   wf  wf   wf Z 0  120   eff   1,393  0, 667 ln   1, 444    [], khi 1.   h  h    h trong đó, h là độ dày của chất điện môi nền; wf là độ rộng của đoạn mạch dải cấp nguồn; eff là hằng số điện môi hiệu dụng, được tính bởi: 1   1  1  h  2  eff   1  12  , với  là hằng số điện môi của chất nền. 2 2  w f  Khi chọn chất điện môi là FR4 và mong muốn Z0 = 50  để phối hợp trở kháng tốt thì xác định được độ rộng đoạn mạch dải cấp nguồn wf xấp xỉ 3,3 mm. 2.2. Cấu trúc anten đề xuất Anten Mạch dải cấp nguồn z y Chất nền FR4 . x (a) Cấu trúc 3D s l4 l9 l3 l7 l8 l5 l1 L l2 l6 lf lg ...