1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự bùng nổ của ngành công nghiệp truyền thông, các phương tiện

thông tin liên lạc cố định cũng như di động đã được sử dụng trong hầu hết mọi hoạt

động sinh hoạt, lao động sản xuất hàng ngày. Đã có rất nhiều hệ thống thông tin vô

tuyến được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người.

Bên cạnh sự bùng nổ về công nghệ lõi, giữa các nhà sản xuất còn có sự chạy đua về

mặt công nghệ chế tạo để tạo ra những thiết bị di động ngày càng nhỏ gọn, thỏa mãn

nhu cầu di động của con người.

Anten là thiết bị để truyền đạt và thu nhận tín hiệu, nó là thành phần quan trọng

đầu tiên mà mỗi thiết bị di động đều phải có. Để có thể tích hợp trong các thiết bị di

động ngày càng nhỏ, yêu cầu đặt ra là phải thu nhỏ kích thước anten mà vẫn đảm bảo

các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như hiệu suất bức xạ. Từ đầu những năm 1970, sự ra đời

và đi vào ứng dụng của anten vi dải đã giải quyết được phần nào vấn đề này. Đặc

điểm nổi bật của nó là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và đặc biệt dễ dàng tích hợp

với hệ thống xử lý tín hiệu. Ngày nay, anten vi dải được sử dụng rất rộng rãi trong

công nghệ di dộng, mạng WLAN, anten thông minh và các hệ thống tích hợp siêu

cao tần.

Mục đích của đề tài là nghiên cứu anten vi dải và áp dụng để thiết kế anten cho

hệ thống WLAN 2.4 GHz (2400 2485 MHz) và LTE 2.6 GHz (2500 2690

MHz). Trên cơ sở đó, chế tạo và thử nghiệm anten để chứng minh rằng với kích thước

nhỏ gọn và các chỉ tiêu kĩ thuật đảm bảo, anten chế tạo ra hoàn toàn có thể tích hợp

được vào các thiết bị cầm tay hiện nay.

Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và tiến hành mô phỏng, nhóm đã tiến hành

chế tạo và thử nghiệm một mẫu anten. Kết quả thực tế cho thấy anten đề xuất hoàn

toàn có thể đáp ứng đủ yêu cầu mà nhóm đã đặt ra. Dải tần hoạt động bao phủ hoàn

toàn dải tần của WLAN 2.4 GHz và 4G LTE 2.6 GHz, bức xạ đẳng hướng với gain >

1.6 dBi đảm bảo cho anten thu tốt tín hiệu từ mọi phía, kích thước nhỏ gọn, cấu trúc

đơn giản, dễ chế tạo. Quá trình phân tích, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm sẽ được trình

bày rõ hơn trong ở những phần sau.

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm, người đã

theo dõi sát sao và hướng dẫn tận tình để nhóm có thể hoàn thành đề tài này. Cảm ơn

các thành viên trong nhóm đã hợp tác và phối hợp chặt chẽ, cùng nhau giả quyết tận

cùng bài toán đặt ra. Xin chân thành cảm ơn!

2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1

MỤC LỤC ...................................................................................................................... 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................................... 3

1. Hệ thống Wireless LAN (WLAN) .......................................................................... 3

1.1. Lịch sử phát triển ........................................................................................ 3

2. Hệ thống LTE 4G................................................................................................... 4

2.1. Đặc điểm ..................................................................................................... 4

2.2. Dải tần hoạt động ........................................................................................ 5

3. Cơ sở lý thuyết anten vi dải ................................................................................... 6

3.1. Cấu trúc anten vi dải ................................................................................... 6

3.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................... 8

3.3. Các phương pháp tiếp điện ......................................................................... 9

YÊU CẦU THIẾT KẾ ................................................................................................. 11

1. Yêu cầu thiết kế .................................................................................................... 11

1.1. Yêu cầu kỹ thuật ........................................................................................ 11

1.2. Yêu cầu về mặt công nghệ chế tạo ............................................................ 11

2. Phân tích và hướng thiết kế ................................................................................ 11

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ............................................................ 13

1. Thực hiện thiết kế ................................................................................................ 13

1.1. Thiết kế đường tiếp điện ............................................................................ 13

1.2. Mô hình thiết kế ......................................................................................... 14

2. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế ................................................................... 16

2.1. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 16

2.2. Kết quả đo đạc thực tế .............................................................................. 24

3. Kết luận ................................................................................................................ 25

KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 27

3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Hệ thống Wireless LAN (WLAN)

WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong

mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền

thông của các thành phần trong mạng là không khí. Các thành phần trong mạng sử

dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau.

1.1. Lịch sử phát triển

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản

xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz. Những giải pháp

này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu

1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện

thời.

Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng

băng tần 2.4Ghz. Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn

nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố

rộng rãi. Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần

số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không

dây chung.

Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết

với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN. Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền

tín hiệu, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz.

Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn

802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu). Và những

thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không

dây vượt trội. Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc

độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps. IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp

những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật để so sánh

với mạng có dây.

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể

truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ

liệu lên đến 54Mbps. Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể

tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b. Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến

tốc độ 108Mbps-300Mbps.

4

2. Hệ thống LTE 4G

LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution), công nghệ này được coi như

công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như

3,9G). 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho

điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa trên các công nghệ

mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và

một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc

độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn của

LTE được tổ chức 3GPP (Dự án đối tác thế hệ thứ 3) ban hành và được quy định trong

một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được

mô tả trong Phiên bản 9.

2.1. Đặc điểm

Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có

thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G. Một lượng lớn công việc là

nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng

kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn

IP. E-UTRA là giao diện vô tuyến của LTE. Nó có các tính năng chính như sau:

- Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s

phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng. 5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã được xác

định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các

tốc độ dữ liệu đỉnh. Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng

20 MHz.

- Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5 ms cho các gói

IP nhỏ trong điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối

nhỏ hơn so với các công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ.

- Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên

tới 350 km/h hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần.

- OFDMA được dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết

kiệm công suất.

- Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với

cùng công nghệ truy nhập vô tuyến.

- Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng

của ITU-R.

- Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,

10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn

5

- Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới

các macrocell bán kính 100 km.

- Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông

5 MHz.

- Hỗ trợ hoạt động với các chuẩn cũ.

- Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói.

2.2. Dải tần hoạt động

Công nghệ LTE 4G hiện tại đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới.

Theo số liệu thống kê tính đến 8/5/2012, đã có 98 quốc gia trên thế giới chấp nhận

công nghệ LTE 4G với hơn 300 nhà cung cấp dịch vụ. Bản đồ bao phủ của công nghệ

LTE được thể hiện dưới đây:

Các quốc gia đã triển khai 4G LTE

Các quốc gia đang triển khai hoặc đã lên kế hoạch triển khai 4G LTE

Các quốc gia đang thử nghiệm hệ thống 4G LTE

Tham khảo: www.gsacom.com

Tùy theo điều kiện địa lý từng khu vực và hiện trạng sử dụng dải tần số của từng

quốc gia mà băng tần dành cho 4G LTE được ấn định là khá đa dạng trên toàn cầu.

Khảo sát ở một số quốc gia tiêu biểu, dải tần dành cho 4G LTE được thể hiện ở bảng

dưới đây:

Vùng Tên dải tần Truyền

dẫn

Uplink (MHz) Downlink

(MHz)

Khoảng cách

song công

(MHz) Low High Low High

EMEA, IMT 2.1GHz FDD 2110 2170 1920 1980 190

6

Japan

NAR PCS 1900 FDD 1930 1990 1850 1910 80

NAR AWS FDD 2110 2155 1710 1755 400

EMEA 2.6 GHz FDD 2620 2690 2500 2570 120

China TDD 2.6 GHz TDD 2570 2620

NAR TDD 2.5 GHz TDD 2496 2690

… … … … … … … …

EMEA: Châu Âu

NAR: Bắc Mỹ Tham khảo: http://niviuk.free.fr/lte_band.php

3. Cơ sở lý thuyết anten vi dải

Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc mạch dải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởi

Deschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vào

thực tế. Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell và

Munson. Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, và đặc

biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch dải cho đến

nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di

động, WLAN, hệ thống anten thông minh…

3.1. Cấu trúc anten vi dải

Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe.Mỗi phần tử anten mạch

dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ

phận tiếp điện. Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu

tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là là anten mạch

in.

phiến bức xạ (L,W)

đế điện môi (ε, h, tanδ)

mặt phẳng đất

Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ

dày chất nền h, hằng số điện môi .

Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau. Có 4 dạng

anten mạch dải cơ bản:

7

Anten mạch dải dạng tấm

Gồm có phiến bức xạ ở mặt trên của lớp điện môi. Phiến bức xạ có thể là hình vuông,

hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hình tam giác, hình vòng nhẫn.

hình tam giáchình chữ nhật

hình vuông hình elip

hình vòng nhẫn

hình đĩa

Anten dipole mạch dải

Gồm các tấm dẫn điện như anten mạch dải dạng tấm. Tuy nhiên, anten dipole mạch

dải gồm có các tấm đối xứng ở cả hai phía của lớp điện môi.

Anten khe mạch dải

8

Anten mạch dải sóng chạy

Gồm các đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tấm

điện môi.

3.2. Nguyên lý hoạt động

Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa tấm patch và

mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt tấm patch. Khi tiếp điện

vào tấm patch có chiều dài bằng nửa bước sóng của tần số hoạt động, phân bố điện

tích ở cả mặt trên, mặt dưới tấm patch và mặt phẳng đất được mô tả như hình dưới

đây.

Lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu ở mặt dưới tấm patch làm một số điện tích

bay vòng lên mặt trên tấm patch gây ra dòng Jb và Js. Do tỉ số h/W nhỏ nên lực hút

giữa các điện tích trái dấu ở mặt trên của lớp GND và mặt dưới của tấm Patch là rất

lớn, do đó, điện tích tập trung chủ yếu ở mặt dưới tấm patch. Mặt khác, do lực đẩy

giữa các điện tích cùng dấu làm cho mật độ điện tích tập trung chủ yếu tại cạnh của

phiến bức xạ. Xuất hiện hiệu ứng vùng biên (fringing field). Để đạt đươc hiệu suất bức

xạ tốt hơn, người ta thường sử dụng một lớp đế mỏng với hằng số điện môi thấp.

9

Sóng điện từ từ tấm phía trên, đi qua tấm điện môi, sau đó phản xạ trên mặt đất

và bức xạ vào không gian phía trên.

3.3. Các phương pháp tiếp điện

Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten vi dải như là: tiếp điện bằng đường vi

dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW), tiếp

điện bằng cách ghép khe, ghép gần, ..v..v. Tuy nhiên, trong giới hạn thực hiện, nhóm

chỉ tìm hiểu ba phương pháp là tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coax-feed), tiếp điện

bằng đường truyền vi dải (microstrip line) và tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng

(Co-planar WaveGuide).

a) Tiếp điện bằng cáp đồng trục

Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện. Để

phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm dẫn điện.

Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng không.

10

b) Tiếp điện bằng đường truyền vi dải (Microstrip Line)

Phương pháp này dễ thực hiện hơn cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải

có độ dài g/4 để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50 tới trở

kháng vào của anten.

c) Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng (Co-planar WaveGuide)

Trong phương pháp tiếp điện này, đất (GND) và tấm bức xạ (Patch) nằm trên

cùng một mặt phẳng, về một phía của tấm đế điện môi.

Ưu điểm vượt trội của phương pháp tiếp điện này là cho băng thông rộng hơn

hẳn hai phương pháp tiếp điện trên (đường truyền vi dải và cáp đồng trục). Do đó, với

những thiết kế yêu cầu anten có băng thông lớn thì kỹ thuật tiếp điện bằng đường

truyền vi dải cũng là một giải pháp khá tốt.

11

YÊU CẦU THIẾT KẾ

1. Yêu cầu thiết kế

1.1. Yêu cầu kỹ thuật

Kích thước

Anten thiết kế cho thiết bị di động cầm tay nên yêu cầu kích thước nhỏ, gọn,

có cấu trúc phẳng để có thể dễ dàng tích hợp được vào thiết bị.

Băng thông

Anten phải hoạt động được trong cả dải tần của Wireless LAN (2400

2485 MHz) và LTE 4G (2500 2690 MHz – Theo chuẩn Châu Âu).

Bức xạ

Do tích hợp trong thiết bị cầm tay di động nên anten phải bức xạ theo mô

hình của một monopole đồng phẳng, bức xạ đẳng hướng để có thể thu tốt tín hiệu

đến từ mọi phía.

Độ tăng ích anten

Do bức xạ đẳng hướng nên yêu cầu về tăng ích chỉ là >= 1.6 dBi (cũng tương

đương với các anten cho thiết bị di động hiện nay trên thị trường).

1.2. Yêu cầu về mặt công nghệ chế tạo

Phải tiện lợi, dễ chế tạo. Đặc biệt là có thể chế tạo ở Việt Nam để khảo sát và

thử nghiệm

Giá thành chế tạo phải rẻ.

2. Phân tích và hướng thiết kế

Từ bài toán đặt ra ở trên, nhóm đã bàn bạc và thống nhất phương pháp cũng như

cách thức thiết kế như sau:

Giải pháp về thiết kế

- Áp dụng cấu trúc vi dải để thiết kế anten yêu cầu

- Thiết kế anten có băng thông bao trọn dải tần số từ 2400 2690 MHz. Do băng

thông yêu cầu thiết kế là khá lớn (>= 290 MHz) nên giải pháp sử dụng ở đây là tiếp

điện sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng.

- Do đất và tấm patch bức xạ ở trên cùng mặt phẳng nên anten sẽ không có mặt phẳng

đất chắn ở dưới, do đó, nó sẽ bức xạ đẳng hướng, phù hợp với yêu cầu mà bài toán

thiết kế đặt ra.

12

- Tấm đế điện môi được chọn để thiết kế là FR4 với độ dày là 1,6 mm bởi vì thực tế

vật liệu ở Việt Nam chỉ có loại này mà thôi, không thể yêu cầu khác được.

- Sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS để vẽ và khảo sát mô hình anten đề xuất. Sau

khi đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật như đã yêu cầu thì sẽ tiến hành chế tạo thử

nghiệm thực tế.

Giải pháp về công nghệ chế tạo

- Công nghệ chế tạo anten được áp dụng là công nghệ mạch in. Nó không những đáp

ứng được yêu cầu về mặt kích thước mỏng, nhẹ mà còn đáp ứng được yêu cầu về

giá thành rẻ, có thể chế tạo đơn chiếc để thử nghiệm.

- Như đã nói ở trên, vật liệu làm đế điện môi là FR4 1,6 mm. Loại vật liệu này có độ

suy hao khá cao, hơn nữa, kích thước lớp đế chưa chắc đã được chuẩn 1,6 mm nên

chắc chắn giữa thử nghiệm thực tế và mô phỏng sẽ có một vài sai lệch nhỏ.

13

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

1. Thực hiện thiết kế

1.1. Thiết kế đường tiếp điện

Để tính toán kích thước của đường tiếp điện, nhóm đã tham khảo công thức gốc

ở trang 79, cuốn Transmission Line Design Hanbook, viết bởi Brian C Wadell, do

nhà xuất bản Artech House xuất bản năm 1991.

b

a

Ɛr h

(Chú ý b là tổng độ rộng của đường tiếp điện và 2 khe cạnh bên)

Công thức tính toán như sau:

14

Để tiện cho việc tính toán, nhóm đã sử dụng tool có sẵn trên mạng để tính toán độ rộng

khe.

Tham khảo: http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/cpw_e.htm

1.2. Mô hình thiết kế

FR4, Ɛ = 4.4; h = 1.6 mm

Hình 1: Mô hình tổng thể anten

15

17

17

4

0.1

50

.15

0.1

5

0.1

5

44.23

2.6

12.2 5

Đơn vị: mm

Hình 2: Mô hình thiết kế chi tiết

Hình 3: Mô hình mô phỏng 3D

16

2. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế

Ta chọn một số chỉ tiêu kĩ thuật như tỷ số điện áp sóng đứng (VSWR), đồ thị bức

xạ và hệ số tăng ích để đánh giá anten. Đối với anten được thiết kế, yêu cầu tỷ số

VSWR < 2 (tương đương với việc hệ số tổn hao ngược RL-Return Loss nhỏ hơn -10

dB) trong dải tần hoạt động.

Sau khi hoàn tất mô hình anten, ta sẽ tiến hành thực hiện mô phỏng bằng phần

mềm HFSS. Nếu như quá trình thiết lập và chạy không bị lỗi, ta sẽ có thể đánh giá

được anten dựa trên rất nhiều tiêu chí mà phần mềm có sẵn như tỷ số điện áp sóng

đứng, hệ số tổn hao ngược, các thông số về trở kháng, gain, đồ thị bức xạ, …

2.1. Kết quả mô phỏng

Sau các bước thiết lập các thông số kích thước và yêu cầu mô phỏng cho anten,

chúng ta tiến hành chạy mô phỏng.

Qua quá trình điều chỉnh các biến kích thước và chạy mô phỏng nhiều lần, kích

thước tối ưu đã được đưa ra ở mục 1.2.

Xét hệ số tổn hao ngược S11 và tỷ số điện áp sóng đứng VSWR của mô hình

anten, ta có kết quả như hình 4 và hình 5.

Qua kết quả thu được trên hình 4 và hình 5, băng thông đạt được của anten là 442

MHz (2350 MHz 2792 MHz), bao phủ hoàn toàn dải tần Wireless LAN (2400 MHz

2485 MHz) và LTE 4G (2500 MHz 2690 MHz). Cộng hưởng cực đại tại tần số

2544 MHz (S11(dB) đạt giá trị -37.9 dB), trùng với tần số trung tâm của dải 2400

MHz 2690 MHz.

Những kết quả đó chứng tỏ anten đề xuất đã đáp ứng đủ yêu cầu về mặt băng

thông cho hệ thống WLAN & LTE.

17

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

S1

1(d

B)

Freq [GHz]

2400 MHz 2690 MHz

BW = 442 MHz

Hình 4: Hệ số tổn hao ngược S11

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

0

1

2

3

VS

WR

2400 MHz 2690 MHz

BW = 442 MHz

Hình 5: Tỷ số điện áp sóng đứng VSWR

18

Thông số quan trọng tiếp theo để đánh giá hoạt động của anten là đồ thị phương

hướng bức xạ. Xét đồ thị bức xạ của anten ở tần số 2444 MHz (tần số trung tâm của

dải tần WLAN) và ở tần số 2594 MHz (tần số trung tâm của dải tần LTE 4G).

Hình 6: Đồ thị Gain 3D của anten ở tần số 2444 MHz

Hình 7: Đồ thị Gain của anten trong mặt phẳng E và H ở tần số 2444 MHz

Mặt phẳng H

Mặt phẳng E

19

Hình 8: Đồ thị Gain 3D của anten ở tần số 2594 MHz

Hình 9: Đồ thị Gain của anten trong mặt phẳng E và H ở tần số 2594 MHz

Mặt phẳng H

Mặt phẳng E

20

Hình 6 và hình 7 biểu diễn đồ thị phương hướng bức xạ của anten trong không

gian 3 chiều và hình chiếu của nó lên mặt phẳng H cũng như mặt phẳng E tại tần số

trung tâm f = 2444 MHz của dải tần WLAN 2.4 GHz. Đồ thị bức xạ của anten có dạng

đẳng hướng, phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu đã đặt ra. Do bức xạ gần như là

đẳng hướng nên hệ số tăng ích của anten không lớn, giá trị lớn nhất của hệ số tăng ích

đạt được là 1.67 dBi (thỏa mãn điều kiện đặt ra ban đầu là >= 1.6 dBi).

Tương tự, hình 8 và hình 9 biểu diễn đồ thị phương hướng bức xạ của anten

trong không gian 3 chiều và hình chiếu của nó lên mặt phẳng E cũng như mặt phẳng H

tại tần số trung tâm f = 2594 MHz của dải tần LTE 2.6GHz. Đồ thị bức xạ của anten

tại tần số này cũng rất gần giống với tại tần số 2444 MHz mà ta đã xét ở trên, giá trị

tăng ích lớn nhất cũng không thay đổi nhiều, đạt 1.7 dBi. Điều này cho ta dự đoán

được khá chắc chắn rằng trên cả dải tần số từ 2400 MHz 2690 MHz, đồ thị phương

hướng bức xạ của anten không thay đổi nhiều và ổn định. Để chắc chắn về nhận định

đó, khảo sát đồ thị phương hướng bức xạ của anten đề xuất tại một số tần số quan

trọng như: 2400 MHz, 2484 MHz, 2500 MHz và 2690 MHz, ta có kết quả như sau:

Hình 10: Đồ thị Gain của anten tại tần số 2400 MHz

Mặt phẳng H

Mặt phẳng E

21

Hình 11: Đồ thị Gain của anten tại tần số 2484 MHz

Hình 12: Đồ thị Gain của anten tại tần số 2500 MHz

Mặt phẳng H

Mặt phẳng E

Mặt phẳng H

Mặt phẳng E

22

Hình 13: Đồ thị Gain của anten tại tần số 2690 MHz

Qua khảo sát thêm đồ thị phương hướng bức xạ tại các tần số khác nhau trong

hình 10, 11, 12 và 13, ta có thể khẳng định được rằng, anten bức xạ đẳng hướng trên

toàn dải tần từ 2400 MHz 2690 MHz, hơn nữa độ tăng ích luôn lớn hơn giá trị 1.6

dBi, thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết kế đặt ra.

Kết quả khảo sát mật độ dòng tại tần số f = 2444 MHz và f’ = 2594 MHz được

thể hiện ở hình 14 và 15. Mật độ dòng cho ta thấy cách thức bức xạ của anten là bức

xạ cạnh, đúng như những gì đã phân tích ở phần lý thuyết anten vi dải.

Mặt phẳng H

Mặt phẳng E

23

Hình 14: Mật độ dòng của anten tại tần số 2444 MHz

Hình 15: Mật độ dòng của anten tại tần số 2594 MHz

24

2.2. Kết quả đo đạc thực tế

Trên cơ sở mô phỏng, anten mạch in cho hệ thống WLAN & LTE 4G đã được

chế tạo thực tế như sau:

Hình 16: Mô hình anten WLAN&LTE thực tế.

Kết quả hệ số phản xạ S11 đo trên máy phân tích:

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0-50

-40

-30

-20

-10

0

S11 (

dB

)

Freq [GHz]

Mô phỏng

Thực tế

Hình 17: Kết quả hệ số S11 giữa mô phỏng và đo đạc thực tế

25

Mô hình được chế tạo với chuẩn của lớp đế điện môi hiện nay là FR-4 1.6mm với

hằng số điện môi là 4.4 và độ dày lớp kim loại là 0.035mm. Nhìn vào hình 16, ta có

thể thấy rằng kích thước anten khá nhỏ gọn.

Nhìn vào kết quả ở hình 17, có thể thấy, anten thực tế có băng thông 610 MHz

(2212 MHz 2822 MHz), đỉnh cộng hưởng đạt -44 dB ở tần số f = 2430 MHz. Dải

tần hoạt động của anten bao phủ toàn bộ dải tần WLAN 2.4 GHz và LTE 2.6 GHz.

Cũng trong hình trên, kết quả mô phỏng và kết quả thực tế đo đạc được so sánh. Ta

thấy giữa thực tế và mô phỏng có sai lệch, tuy nhiên, những sai lệch này hoàn toàn có

thể lý giải được là do:

- Thời gian mô phỏng ngắn, có thể bước tạo lưới (meshing) mô phỏng chưa đủ

nhỏ để chương trình mô phỏng tính toán chính xác.

- Do công nghệ chế tạo, vật liệu làm đế điện môi chưa chắc đã đạt chuẩn

1.6mm và hằng số điện môi 4.4.

- Do quá trình cắt anten làm thủ công bằng tay nên một số kích thước anten

chưa được chuẩn như thiết kế.

3. Kết luận

Như vậy anten đã được mô phỏng và chế tạo thành công, đáp ứng đủ các yêu

cầu, mục tiêu đề ta ban đầu của đề tài. Thực tế chế tạo đã chứng minh những kết quả

nghiên cứu về anten vi dải và ứng dụng đề thiết kế anten cho hệ thống WLAN & LTE

4G là hoàn toàn đúng đắn và khả thi. Với kích thước nhỏ gọn, công nghệ chế tạo đơn

giản, anten có thể dễ dàng được tích hợp trong các thiết bị di động cầm tay kích thước

nhỏ.

26

KẾT LUẬN CHUNG

Anten đã thiết kế hoạt động tốt trong dải tần 2212 MHz 2822 MHz, bao trùm

toàn bộ dải tần hoạt động của WLAN 2.4 GHz và 4G LTE 2.6 GHz, bức xạ có độ đẳng

hưởng cao trên toàn bộ dải tần. Ưu điểm của anten đã thiết kế là kích thước nhỏ, cấu

hình đơn giản, dễ chế tạo. Đảm bảo đủ yêu cầu để tiến hành sản xuất hàng loạt.

Công việc thiết kế cũng mở ra những khả năng phát triển trong tương lai. Nếu

được tiếp tục làm việc, các phương hướng phát triển có thể đề ra như sau:

- Thu nhỏ kích thước anten đã thiết kế để đáp ứng được yêu cầu tích hợp vào các

thiết bị di động đang ngày càng nhỏ, gọn. Hiện nay các nhà nghiên cứu đã và đang

nghiên cứu công nghệ siêu vật liệu (Meta-material) để thay đổi tính chất vật lý của một

anten thông thường, cũng là mở ra cơ hội để áp dụng thu gọn kích thước anten.

- Có thể thêm vào thiết kế các đường cắt, khoét để anten có thể hoạt động cho

nhiều hệ thống hơn nữa (multi-band), ví dụ như dải tần WLAN 5 GHz, hay dải tần

GSM 900, 1800, …

27

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip

Antenna design handbook, Artech House, Boston London, 2001.

[2] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

[3] Brian C Wadell, Transmission Line Design Hanbook, Artech House, 1991.

[4] David M. Pozar and Daniel H. Schaubert, Microstrip antennas: the analysis

and design of microstrip antennas and arrays, John Wiley and Sons, 1995.

[5] Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design - second edition, John Wiley

and Sons, 2005.

[6] David M. Pozar, Microwave engineering 2nd

, John Wiley & Son, INC.

[7] Islavath. Balakrishna, Dr.D.Sriram Kumar, MSuresh Kumar,” CPW-Fed

Antenna for 2.4 GHz WLAN application”, ICCCCT-10.

[8] W. Liao and Q.-X. Chu,” CPW-fed square slot antenna with lightening

shaped feed line for broadband circularly polarized radiation,” Progress In

Electromagnetics Research Letters, Vol. 18, 61-69, 2010.

[9] Q. Chen*, H.-L. Zheng, T. Quan, and X. Li.” Broadband CPW-fed

circularly polarized antenna with equianglular tapered-shaped feedline for

Ultra-wideband applications,” Progress In Electromagnetics Research C,

Vol. 26, 83 - 95, 2012.

[10] http://vi.wikipedia.org/wiki/LTE

[11] http://niviuk.free.fr/lte_band.php

[12] http://www.4gamericas.org/index.cfm?fuseaction=page&sectionid=117

[13] http://bama.ua.edu/~tmewes/Java/CPW/CPWCalculator.shtml