Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, với sự bùng nổ của ngành công nghiệp truyền thông, các phương tiệnthông tin liên lạc cố định cũng như di động đã được sử dụng trong hầu hết mọi hoạtđộng sinh hoạt, lao động sản xuất hàng ngày. Đã có rất nhiều hệ thống thông tin vôtuyến 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 vềmặt công nghệ chế tạo để tạo ra những thiết bị di động ngày càng nhỏ gọn, thỏa mãnnhu cầu di động của con người.Anten là thiết bị để truyền đạt và thu nhận tín hiệu, nó là thành phần quan trọngđầu tiên mà mỗi thiết bị di động đều phải có. Để có thể tích hợp trong các thiết bị diđộng ngày càng nhỏ, yêu cầu đặt ra là phải thu nhỏ kích thước anten mà vẫn đảm bảocác chỉ tiêu kỹ thuật cũng như hiệu suất bức xạ. Từ đầu những năm 1970, sự ra đờivà đi vào ứng dụng của anten vi dải đã giải quyết được phần nào vấn đề này. Đặcđiểm nổi bật của nó là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và đặc biệt dễ dàng tích hợpvới hệ thống xử lý tín hiệu. Ngày nay, anten vi dải được sử dụng rất rộng rãi trongcông nghệ di dộng, mạng WLAN, anten thông minh và các hệ thống tích hợp siêucao tần.
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với bùng nổ ngành công nghiệp truyền thông, phương tiện thông tin liên lạc cố định di động sử dụng hầu hết hoạt động sinh hoạt, lao động sản xuất hàng ngày Đã có nhiều hệ thống thông tin vô tuyến triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày cao người Bên cạnh bùng nổ công nghệ lõi, nhà sản xuất cịn có chạy đua mặt công nghệ chế tạo để tạo thiết bị di động ngày nhỏ gọn, thỏa mãn nhu cầu di động người Anten thiết bị để truyền đạt thu nhận tín hiệu, thành phần quan trọng mà thiết bị di động phải có Để tích hợp thiết bị di động ngày nhỏ, yêu cầu đặt phải thu nhỏ kích thước anten mà đảm bảo tiêu kỹ thuật hiệu suất xạ Từ đầu năm 1970, đời vào ứng dụng anten vi dải giải phần vấn đề Đặc điểm bật kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo đặc biệt dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Ngày nay, anten vi dải sử dụng rộng rãi công nghệ di dộng, mạng WLAN, anten thơng minh hệ thống tích hợp siêu cao tần Mục đích đề tài nghiên cứu anten vi dải áp dụng để thiết kế anten cho hệ thống WLAN 2.4 GHz (2400 2485 MHz) LTE 2.6 GHz (2500 2690 MHz) Trên sở đó, chế tạo thử nghiệm anten để chứng minh với kích thước nhỏ gọn tiêu kĩ thuật đảm bảo, anten chế tạo hoàn toàn tích hợp vào thiết bị cầm tay Qua trình nghiên cứu lý thuyết tiến hành mơ phỏng, nhóm tiến hành chế tạo thử nghiệm mẫu anten Kết thực tế cho thấy anten đề xuất hồn tồn đáp ứng đủ yêu cầu mà nhóm đặt Dải tần hoạt động bao phủ hoàn toàn dải tần WLAN 2.4 GHz 4G LTE 2.6 GHz, xạ đẳng hướng với gain > 1.6 dBi đảm bảo cho anten thu tốt tín hiệu từ phía, kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo Q trình phân tích, thiết kế, chế tạo thử nghiệm trình bày rõ phần sau Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Vũ Văn Yêm, người theo dõi sát hướng dẫn tận tình để nhóm hồn thành đề tài Cảm ơn thành viên nhóm hợp tác phối hợp chặt chẽ, giả tận toán đặt Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hệ thống Wireless LAN (WLAN) 1.1 Lịch sử phát triển Hệ thống LTE 4G 2.1 Đặc điểm 2.2 Dải tần hoạt động Cơ sở lý thuyết anten vi dải 3.1 Cấu trúc anten vi dải 3.2 Nguyên lý hoạt động 3.3 Các phương pháp tiếp điện YÊU CẦU THIẾT KẾ 11 Yêu cầu thiết kế 11 1.1 Yêu cầu kỹ thuật 11 1.2 Yêu cầu mặt công nghệ chế tạo 11 Phân tích hướng thiết kế 11 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 13 Thực thiết kế 13 1.1 Thiết kế đường tiếp điện 13 1.2 Mơ hình thiết kế 14 Kết mô đo đạc thực tế 16 2.1 Kết mô 16 2.2 Kết đo đạc thực tế 24 Kết luận 25 KẾT LUẬN CHUNG 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hệ thống Wireless LAN (WLAN) WLAN loại mạng máy tính việc kết nối thành phần mạng không sử dụng loại cáp mạng thông thường, môi trường truyền thông thành phần mạng khơng khí Các thành phần mạng sử dụng sóng điện từ để truyền thông với 1.1 Lịch sử phát triển Công nghệ WLAN lần xuất vào cuối năm 1990, nhà sản xuất giới thiệu sản phẩm hoạt động băng tần 900Mhz Những giải pháp (không thống nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền liệu 1Mbps, thấp nhiều so với tốc độ 10Mbps hầu hết mạng sử dụng cáp thời Năm 1992, nhà sản xuất bắt đầu bán sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4Ghz Mặc dầu sản phẩm có tốc độ truyền liệu cao chúng giải pháp riêng nhà sản xuất không công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống thiết bị dãy tần số khác dẫn đến số tổ chức bắt đầu phát triển chuẩn mạng không dây chung Năm 1997, IEEE phê chuẩn đời chuẩn 802.11, biết với tên gọi WIFI cho mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vơ tuyến tần số 2.4Ghz Năm 1999, IEEE thông qua hai bổ sung cho chuẩn 802.11 chuẩn 802.11a 802.11b (định nghĩa phương pháp truyền tín hiệu) Và thiết bị WLAN dựa chuẩn 802.11b nhanh chóng trở thành cơng nghệ không dây vượt trội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền liệu lên tới 11Mbps IEEE 802.11b tạo nhằm cung cấp đặc điểm tính hiệu dụng, thơng lượng (throughput) bảo mật để so sánh với mạng có dây Năm 2003, IEEE cơng bố thêm cải tiến chuẩn 802.11g mà truyền nhận thơng tin hai dãy tần 2.4Ghz 5Ghz nâng tốc độ truyền liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, sản phẩm áp dụng 802.11g tương thích ngược với thiết bị chuẩn 802.11b Hiện chuẩn 802.11g đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps Hệ thống LTE 4G LTE (viết tắt cụm từ Long Term Evolution), công nghệ coi công nghệ di động hệ thứ (4G, thực chất LTE coi 3,9G) 4G LTE chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ liệu cao dành cho điện thoại di động thiết bị đầu cuối liệu Nó dựa công nghệ mạng GSM/EDGE UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế loạt giải pháp công nghệ khác lập lịch phụ thuộc kênh thích nghi tốc độ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng tốc độ liệu Các tiêu chuẩn LTE tổ chức 3GPP (Dự án đối tác hệ thứ 3) ban hành quy định loạt tiêu kỹ thuật Phiên (Release 8), với cải tiến nhỏ mô tả Phiên 2.1 Đặc điểm Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối thực trở thành công nghệ truyền thông di động 4G Một lượng lớn cơng việc nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng tồn IP E-UTRA giao diện vơ tuyến LTE Nó có tính sau: - Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng kiểu thiết bị đầu cuối khác xác định từ kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ tốc độ liệu đỉnh Tất thiết bị đầu cuối xử lý băng thông rộng 20 MHz - Trễ truyền dẫn liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về ms cho gói IP nhỏ điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ so với 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 500 km/h hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần - OFDMA dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất - Hỗ trợ hai hệ thống dùng FDD TDD FDD bán song công với công nghệ truy nhập vô tuyến - Hỗ trợ cho tất băng tần hệ thống IMT sử dụng ITU-R - Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, MHz, MHz, 10 MHz, 15 MHz 20 MHz chuẩn - Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto picocell) lên tới macrocell bán kính 100 km - Hỗ trợ 200 đầu cuối liệu hoạt động tế bào có băng thơng MHz - Hỗ trợ hoạt động với chuẩn cũ - Giao diện vơ tuyến chuyển mạch gói 2.2 Dải tần hoạt động Công nghệ LTE 4G triển khai nhiều nước giới Theo số liệu thống kê tính đến 8/5/2012, có 98 quốc gia giới chấp nhận công nghệ LTE 4G với 300 nhà cung cấp dịch vụ Bản đồ bao phủ công nghệ LTE thể đây: Các quốc gia triển khai 4G LTE Các quốc gia triển khai lên kế hoạch triển khai 4G LTE Các quốc gia thử nghiệm hệ thống 4G LTE Tham khảo: www.gsacom.com Tùy theo điều kiện địa lý khu vực trạng sử dụng dải tần số quốc gia mà băng tần dành cho 4G LTE ấn định đa dạng toàn cầu Khảo sát số quốc gia tiêu biểu, dải tần dành cho 4G LTE thể bảng đây: Vùng EMEA, Tên dải tần IMT 2.1GHz Truyền dẫn FDD Downlink (MHz) Low High Low High Khoảng cách song công (MHz) 2110 2170 1920 1980 190 Uplink (MHz) 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 Cơ sở lý thuyết anten vi dải Lý thuyết phát xạ cấu trúc mạch dải đưa vào năm 1953 Deschamps nhiên phải đến năm 70 thực phát triển vào thực tế Và anten sử dụng công nghệ chế tạo Howell Munson Với lợi điểm nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, đặc biệt khả tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch dải ngày phát triển lĩnh vực siêu cao tần anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh… 3.1 Cấu trúc anten vi dải Anten mạch dải chất kết cấu xạ kiểu khe.Mỗi phần tử anten mạch dải gồm có phần phiến kim loại, lớp đế điện môi, chắn kim loại phận tiếp điện Phiến kim loại gắn lớp đế điện môi tạo nên kết cấu tương tự mảng mạch in, anten mạch dải cịn có tên là anten mạch in phiến xạ (L,W) đế điện môi (ε, h, tanδ) mặt phẳng đất Các thông số cấu trúc anten mạch dải chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất h, số điện môi Tuỳ thuộc vào giá trị thông số ta có loại anten khác Có dạng anten mạch dải bản: Anten mạch dải dạng Gồm có phiến xạ mặt lớp điện mơi Phiến xạ hình vng, hình chữ nhật, hình trịn, hình elip, hình tam giác, hình vịng nhẫn hình vng hình chữ nhật hình elip hình vịng nhẫn hình đĩa hình tam giác Anten dipole mạch dải Gồm dẫn điện anten mạch dải dạng Tuy nhiên, anten dipole mạch dải gồm có đối xứng hai phía lớp điện mơi Anten khe mạch dải Anten mạch dải sóng chạy Gồm đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp bề mặt điện môi 3.2 Nguyên lý hoạt động Bức xạ từ anten vi dải xác định từ phân bố trường patch mặt phẳng đất hay dạng phân bố dòng điện bề mặt patch Khi tiếp điện vào patch có chiều dài nửa bước sóng tần số hoạt động, phân bố điện tích mặt trên, mặt patch mặt phẳng đất mơ tả hình Lực đẩy điện tích dấu mặt patch làm số điện tích bay vịng lên mặt patch gây dòng Jb Js Do tỉ số h/W nhỏ nên lực hút điện tích trái dấu mặt lớp GND mặt Patch lớn, đó, điện tích tập trung chủ yếu mặt patch Mặt khác, lực đẩy điện tích dấu làm cho mật độ điện tích tập trung chủ yếu cạnh phiến xạ Xuất hiệu ứng vùng biên (fringing field) Để đạt đươc hiệu suất xạ tốt hơn, người ta thường sử dụng lớp đế mỏng với số điện môi thấp Sóng điện từ từ phía trên, qua điện mơi, sau phản xạ mặt đất xạ vào khơng gian phía 3.3 Các phương pháp tiếp điện Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten vi dải là: tiếp điện đường vi dải, tiếp điện cáp đồng trục, tiếp điện ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW), tiếp điện cách ghép khe, ghép gần, v v Tuy nhiên, giới hạn thực hiện, nhóm tìm hiểu ba phương pháp tiếp điện cáp đồng trục (Coax-feed), tiếp điện đường truyền vi dải (microstrip line) tiếp điện ống dẫn sóng đồng phẳng (Co-planar WaveGuide) a) Tiếp điện cáp đồng trục Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với dẫn điện Để phối hợp trở kháng cần tiếp điện vị trí thích hợp dẫn điện Nếu tiếp điện tâm dẫn điện ta có trở kháng vào khơng b) Tiếp điện đường truyền vi dải (Microstrip Line) Phương pháp dễ thực cách tiếp điện cáp đồng trục, đường mạch dải có độ dài g/4 để phối hợp trở kháng đường tín hiệu vào từ cổng 50 tới trở kháng vào anten c) Tiếp điện ống dẫn sóng đồng phẳng (Co-planar WaveGuide) Trong phương pháp tiếp điện này, đất (GND) xạ (Patch) nằm mặt phẳng, phía đế điện mơi Ưu điểm vượt trội phương pháp tiếp điện cho băng thông rộng hẳn hai phương pháp tiếp điện (đường truyền vi dải cáp đồng trục) Do đó, với thiết kế yêu cầu anten có băng thơng lớn kỹ thuật tiếp điện đường truyền vi dải giải pháp tốt 10 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM Thực thiết kế 1.1 Thiết kế đường tiếp điện Để tính tốn kích thước đường tiếp điện, nhóm tham khảo công thức gốc trang 79, Transmission Line Design Hanbook, viết Brian C Wadell, nhà xuất Artech House xuất năm 1991 b Ɛr h a (Chú ý b tổng độ rộng đường tiếp điện khe cạnh bên) Công thức tính tốn sau: 13 Để tiện cho việc tính tốn, nhóm sử dụng tool có sẵn mạng để tính tốn độ rộng khe Tham khảo: http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/cpw_e.htm 1.2 Mơ hình thiết kế FR4, Ɛ = 4.4; h = 1.6 mm Hình 1: Mơ hình tổng thể anten 14 44.2 0.15 17 12.2 0.15 0.15 Hình 2: Mơ hình thiết kế chi tiết Hình 3: Mơ hình mơ 3D 15 32.6 17 0.15 Đơn vị: mm Kết mô đo đạc thực tế Ta chọn số tiêu kĩ thuật tỷ số điện áp sóng đứng (VSWR), đồ thị xạ hệ số tăng ích để đánh giá anten Đối với anten thiết kế, yêu cầu tỷ số VSWR < (tương đương với việc hệ số tổn hao ngược RL-Return Loss nhỏ -10 dB) dải tần hoạt động Sau hồn tất mơ hình anten, ta tiến hành thực mô phần mềm HFSS Nếu q trình thiết lập chạy khơng bị lỗi, ta đánh giá anten dựa nhiều tiêu chí mà phần mềm có sẵn tỷ số điện áp sóng đứng, hệ số tổn hao ngược, thông số trở kháng, gain, đồ thị xạ, … 2.1 Kết mô Sau bước thiết lập thơng số kích thước yêu cầu mô cho anten, tiến hành chạy mơ Qua q trình điều chỉnh biến kích thước chạy mơ nhiều lần, kích thước tối ưu đưa mục 1.2 Xét hệ số tổn hao ngược S11 tỷ số điện áp sóng đứng VSWR mơ hình anten, ta có kết hình hình Qua kết thu hình hình 5, băng thông đạt anten 442 MHz (2350 MHz 2792 MHz), bao phủ hoàn toàn dải tần Wireless LAN (2400 MHz 2485 MHz) LTE 4G (2500 MHz 2690 MHz) Cộng hưởng cực đại tần số 2544 MHz (S11(dB) đạt giá trị -37.9 dB), trùng với tần số trung tâm dải 2400 MHz 2690 MHz Những kết chứng tỏ anten đề xuất đáp ứng đủ yêu cầu mặt băng thông cho hệ thống WLAN & LTE 16 2400 MHz 2690 MHz -5 -10 S11(dB) -15 BW = 442 MHz -20 -25 -30 -35 -40 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Freq [GHz] Hình 4: Hệ số tổn hao ngược S11 2400 MHz 2690 MHz VSWR BW = 442 MHz 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Hình 5: Tỷ số điện áp sóng đứng VSWR 17 2.9 Thông số quan trọng để đánh giá hoạt động anten đồ thị phương hướng xạ Xét đồ thị xạ anten tần số 2444 MHz (tần số trung tâm dải tần WLAN) tần số 2594 MHz (tần số trung tâm dải tần LTE 4G) Hình 6: Đồ thị Gain 3D anten tần số 2444 MHz Mặt phẳng H Mặt phẳng E Hình 7: Đồ thị Gain anten mặt phẳng E H tần số 2444 MHz 18 Hình 8: Đồ thị Gain 3D anten tần số 2594 MHz Mặt phẳng H Mặt phẳng E Hình 9: Đồ thị Gain anten mặt phẳng E H tần số 2594 MHz 19 Hình hình biểu diễn đồ thị phương hướng xạ anten khơng gian chiều hình chiếu lên mặt phẳng H mặt phẳng E tần số trung tâm f = 2444 MHz dải tần WLAN 2.4 GHz Đồ thị xạ anten có dạng đẳng hướng, phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu đặt Do xạ gần đẳng hướng nên hệ số tăng ích anten không lớn, giá trị lớn hệ số tăng ích đạt 1.67 dBi (thỏa mãn điều kiện đặt ban đầu >= 1.6 dBi) Tương tự, hình hình biểu diễn đồ thị phương hướng xạ anten không gian chiều hình chiếu lên mặt phẳng E mặt phẳng H tần số trung tâm f = 2594 MHz dải tần LTE 2.6GHz Đồ thị xạ anten tần số gần giống với tần số 2444 MHz mà ta xét trên, giá trị tăng ích lớn không thay đổi nhiều, đạt 1.7 dBi Điều cho ta dự đoán chắn dải tần số từ 2400 MHz 2690 MHz, đồ thị phương hướng xạ anten không thay đổi nhiều ổn định Để chắn nhận định đó, khảo sát đồ thị phương hướng xạ anten đề xuất số tần số quan trọng như: 2400 MHz, 2484 MHz, 2500 MHz 2690 MHz, ta có kết sau: Mặt phẳng H Mặt phẳng E Hình 10: Đồ thị Gain anten tần số 2400 MHz 20 ... thiết kế Từ tốn đặt trên, nhóm bàn bạc thống phương pháp cách thức thiết kế sau: Giải pháp thiết kế - Áp dụng cấu trúc vi dải để thiết kế anten yêu cầu - Thiết kế anten có băng thơng bao trọn dải. .. với hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch dải ngày phát triển lĩnh vực siêu cao tần anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh… 3.1 Cấu trúc anten vi dải Anten mạch dải chất kết... với thiết kế yêu cầu anten có băng thơng lớn kỹ thuật tiếp điện đường truyền vi dải giải pháp tốt 10 YÊU CẦU THIẾT KẾ Yêu cầu thiết kế 1.1 Yêu cầu kỹ thuật Kích thước Anten thiết kế cho thiết