THIẾT KẾ ANTEN CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, ... chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
THIẾT KẾ ANTEN CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN THIẾT KẾ ANTEN CHO CÁC THIẾT BỊ DI ĐỘNG HOẠT ĐỘNG TRONG DẢI TẦN GSM, UTMS, WLAN 1. Gi ới thi ệu Truyền thông không dây đã phát tri ển rất nhanh trong nhữ ng năm g ần đây, theo đó các thiết bị di đ ộng đang tr ở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏ a mãn nhu c ầu thu nhỏ các thiết bị di đ ộng, anten g ắn trên các thiết bị đ ầu cuối cũng phải đư ợc thu nhỏ kích thước. Các anten ph ẳng, như anten vi d ải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu đi ểm hấp dẫn như kích thư ớc nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, ... chúng s ẽ là lựa chọn thỏ a mãn yêu c ầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này, k ỹ thuật thiết kế anten ph ẳng băng rộ ng đã thu hút r ất nhiều sự quan tâm c ủa các nhà nghiên c ứ u anten. Gần đây, nhiều anten ph ẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu c ầu về băng thông c ủa hệ thống truyề n thông di đ ộng tế bào hiện nay, bao gồ m GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS (Unive rsal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã xu ất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten ph ẳng cũng rất thích hợ p đ ố i với ứng d ụng trong các thi ết bị truyền thông cho hệ thống mạng c ục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải t ần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz). Trong bài, trình bày thi ết kế các một anten vi d ải băng rộng đ a dải tần, sử dụng cho các thi ết bị di đ ộng ho ạt đ ộ ng trong dải tần GSM, UTMS, WLAN. Anten được chế tạo trên chất nền có h ằng số điện môi εr=4.4, đ ộ dày là 0.8 mm và được thiết kế tại tần số 900 MHz và 2000MHz. Đồng thời sử dụng ph ần mềm Ansoft HFSS đ ể thiết kế và mô phỏ ng. HFSS s ử dụng phương pháp ph ần tử hữ u h ạn (Finite Element Method, FEM), kỹ t hu ật chia lư ới thích nghi (adaptive meshing) và giao diện đ ồ họ a đ ẹp đ ể m ang đ ến sự hiểu biết sâu s ắc đ ố i với tất c ả các bài toán trườ ng đ iệ n từ 3 D 1 2. P hân tích và thi ết kế anten 2.1. Mô tả mô hình anten Trong bài báo cáo tập trung thiết kế một anten đơn c ực phẳng ph ù hợ p cho ứ ng dụng trong các thi ết bị cầm tay di đ ộng (mobile hanset). Anten bao gồm mộ t bộ phát xạ hình chữ nhật bị xẻ bởi các rãnh uốn khúc tạo thành 3 nhánh, trong đó 2 nhánh cộng hưở ng và 1 nhánh đi ều chỉnh. Anten đư ợc in trên ch ất nề n FR4 và được tiếp điện bởi một đường vi d ải 50 Ω. Anten này có thể ho ạt đ ộng trong các d ải tần GSM, U TMS và WLAN với hệ số sóng đ ứ ng VSWR nhỏ hơn 2.5. 2.1.1. Gi ới thi ệu Trong bài trình bày, một anten đơn c ực ph ẳng với cấu trúc 2D được thiết kế. Cả cấu trúc và các tham s ố c ủa c ấu trúc đ ều đư ợc điều chỉ nh một cách c ẩn thận đ ể đ ạt được yêu c ầu cộng hưở ng ở nhiều tần số (đa c ộ ng hưở ng), băng thông đ ủ và convenient profile. Anten có 3 nhánh và đư ợc in trên mộ t tấm điện môi. Trước tiên, 2 nhánh được thiết kế để cộng hư ởng ở 2 tần số nh ất đ ịnh, và sau đó nhánh th ứ 3 được thêm vào đ ể điều chỉnh t ần số cộng hưở ng cho phù hợ p với các d ải t ần mong muố n. Với diện tích nhỏ 36 x 15 mm2, anten đáp ứ ng yêu c ầu c ủa các chuẩn truyền thông sau: GSM (Global System for Mobile communications, 890 MHz – 960 MHz), U TMS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 MHz – 2170 MHz) và WLAN (Wireless Local Area Network, 2400 MHz – 2484 MHz). Hình 2.1: Hình dạng c ủa anten được thiết kế trong khóa lu ận 2 2.1.2. Thi ết kế thành phầ n bức x ạ Hình d ạng tổng thể của ante n mà khoá lu ận thiết kế được thể hiện trong hình 2.1 và thành ph ần b ức x ạ đư ợc thể hiện trong hình 2.2 dưới đây. Hình 2.2: Thành ph ần b ức x ạ c ủa anten Thành ph ần bức x ạ đơn c ực phẳng chiếm diện tích là 36 x 15 mm2, và được in trên chất nề n FR4 dày 0.8 mm (h ằng số điện môi tương đ ố i là 4.4). Tấm điện môi này được dùng phổ biến đ ể làm các mạch PCB cho đi ện tho ại di đ ộng. Ch ất nền (lớp điện môi) rộng 36 mm và dài 75 mm. Ở m ặt sau c ủ a tấm điện môi, mặt ph ẳng đ ất được in có chiều rộ ng 36 mm và chiề u dài 60 mm. Thành ph ần b ức xạ đơn c ực được tiếp điện bởi một đườ ng vi d ải 50 Ω như được chỉ r a trong hình 2.1. Thành ph ần bức x ạ chính (patch) ban đ ầu có dạng hình ch ữ nh ật. B ằng cách xẻ mộ t rãnh uốn khúc trên thành phần b ức x ạ ban đ ầu tạo ra 3 nhánh, trong đó nhánh cộng hư ởng th ứ nhất là nhánh dài hơn, nhánh c ộng hưở ng th ứ hai là nhánh ng ắn hơn và nhánh điều chỉ nh (nhánh th ứ ba) với các kích thước chi tiết được chỉ ra trong hình 2.3. Hình 2.3: Kích thước chi tiết thành ph ần bức xạ của anten Ta mong muố n anten ho ạt độ ng tại 2 d ải tần (d ải thứ nh ất cho GSM và d ải thứ hai gồm 4 dải gần nhau là DCS, PCS, UTMS và WLAN), do đó thi ết kế ban đ ầu chỉ có 2 nhánh c ộng hưởng (không có nhánh thứ ba). Chiều dài c ủa nhánh dài hơn tính từ điểm tiếp điện tới đ ầu cuối c ủa nhánh c ộng hưở ng thứ nhất là kho ảng 75 mm. Giá 3 trị này rất g ần với ¼ bước sóng tại tần số 900 MHz trong không gian t ự do. Cũng nên chú ý rằng, t ần số cộng hưở ng ph ụ t huộc cả vào chiều dài c ủa nhánh và chi ều rộng của đ ầu cuối. Theo cách tương t ự, chiề u dài c ủa nhánh c ộng hưở ng th ứ hai tính từ điểm tiếp điện tới đ ầu cuố i của nó là kho ảng 35 mm, x ấp xỉ ¼ bước sóng tại tần số 2 GHz. Độ dài 2 nhánh c ộ ng hưở ng được chọ n ng ắn hơn so với ¼ bư ớc sóng c ộng hưở ng được chọ n. Lý do chính là một số tồ n tại trong th ực tế của ch ất nề n sẽ thu ngắn bước sóng c ộ ng hưởng. Anten với chỉ 2 nhánh c ộng hưởng 1 và 2 có khả ...