Mở Đầu -2- ứng dụng. Có nhiều loại antenna đƣợc nghiên cứu trong thiết kế antenna UWB, nhìn chung phân làm hai nhóm chính: antenna không cộng hƣởng và antenna cộng hƣởng[6]. Antenna không cộng hƣởng bao gồm: antenna độc lập với tần số, antenna Helix, antenna Horn. Nhóm antenna này có hệ số phẩm chất Q rất thấp, băng tần hoạt động rất rộng phù hợp với antenna UWB tuy nhiên về kích thƣớc khó ứng dụng trong các thiết bị cầm tay.
Thêm vào đó phân cực có thể đổi theo tần số và độ trễ nhóm khá lớn so với nhóm antenna cộng hƣởng. Antenna cộng hƣởng là nhóm antenna có hệ số phẩm chất Q tƣơng đối thấp nhƣ Planar Monopole, nhóm này thƣờng ứng dụng trong các hệ thống thông tin băng hẹp. Tuy nhiên, có thể điều chỉnh cấu trúc bức xạ để tăng cƣờng băng tần hoạt động, đáp ứng yêu cầu hệ thống UWB. Ngoài việc có băng tần hẹp ra, nhóm này có các ƣu điểm phù hợp trong thiết kế antenna UWB nhƣ bức xạ dạng omni-direction, độ trễ nhóm khá nhỏ, phân cực, độ lợi, hiệu suất khá ổn định trên miền tần số.
Antenna Planar Monopole 2D hay còn gọi là printed Monopole lại có thêm ƣu thế về kích thƣớc nhỏ gọn, nhẹ, dễ tích hợp với các phần tử mạch, dễ chế tạo cấu trúc không phức tạp thích hợp tốt với các thiết bị UWB cầm tay, di động. Các bài báo nghiên cứu thiết kế antenna UWB trong xu hƣớng phát triển hiện nay cũng tập trung chủ yếu vào dạng này. Với động lực đó, đề tài thực hiện việc nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của các thành phần hình học lên antenna Planar UWB. Đƣa ra phƣơng pháp nghiên cứu, thiết kế thi công cấu trúc antenna, hƣớng đến phân tích mạch tƣơng đƣơng.2 Mục tiêu đề tài Khảo sát đặc tính cộng hƣởng của các yếu tố hình học cơ bản bao gồm hình chữ nhật, hình thang và hình ellip khi tác động lên các dạng antenna Planar UWB tiêu biểu: antenna Monopole hình chữ nhật, antenna Monopole tròn và antenna slot tròn có patch kích thích hình thang trong các trƣờng hợp: coupling cạnh bức xạ, slot dọc cạnh bức xạ và slot dọc cạnh trên của mass.
HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS. Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -3- Các nhận xét rút ra đƣợc áp dụng trong thiết kế cấu trúc antenna UWB với yêu cầu băng tần hoạt động 3.6GHz theo chuẩn UWB, độ lợi trên 2dB, kích thƣớc không quá 50 x 50 mm và có Band-Notched. Phân tích định tính và đƣa ra mạch tƣơng đƣơng cho antenna.3 Các công trình nghiên cứu thiết kế antenna UWB trƣớc đây Các nghiên cứu gần đây đƣa ra nhiều dạng cấu trúc antenna Planar UWB.
Đa phần đều là dạng Printed Monopole. Một cách tƣơng đối, các antenna UWB có thể chia làm hai nhóm: Nhóm Patch Antenna với các hình dạng khác nhau: hình chữ nhật[20]- [22][24][27]-[29][34][40]-[43], hình tròn[30][37][39][44], bán tròn[23][31][33][35][38], hình thang và các hình dạng khác đƣợc hiệu chỉnh từ các dạng cơ bản. Nhóm Slot Antenna bao gồm: Slot tròn[26][36][46], Aperture hình chữ nhật[25] và các dạng khác. Các antenna đƣợc cấp nguồn với Microstrip Line hoặc Coplanar Wave Guide.
Có nhiều phƣơng pháp thiết kế antenna UWB. Trong đó, các antenna có băng tần hoặc theo chuẩn FCC 3.6 GHz hoặc có thêm Band-notched, chắn các dải tần của các hệ thống thông tin băng hẹp khi cùng hoạt động (nhƣ WLAN 5. Các thiết kế khác nhau đều bắt đầu từ việc đƣa ra cấu trúc antenna Monopole cơ bản với băng tần UWB. Các yếu tố hình học sau đó đƣợc đƣa vào để hiệu chỉnh cấu trúc, từ đó làm thay đổi thông số hoạt động của antenna.
Nhìn chung, các yếu tố này đƣợc dùng để: Mở rộng băng tần hoạt động, trải dài từ 3.6 GHz Tạo Band-notched tại các dải tần của hệ thống thông tin băng hẹp. Thu gọn kích thƣớc antenna. Trƣờng hơ ̣p chỉ mở rộng băng tần hoạt động , trong nghiên cứu[20] sử dụng một slot hình T ngƣợc hiệu chỉnh cạnh trên của mass và hai slot hình chữ nhật đặt song song với hai cạnh patch bức xạ. Các slot tác động làm tăng băng tần đến 120% (3.12 - HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS.
Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -4- 12. Tác động của slot hình T đƣợc giải thích là làm thay đổi dung kháng giữa patch bức xạ và mass, việc có thêm hai slot hình chữ nhật dùng để tạo ra các tần số cộng hƣởng góp phần tăng cƣờng băng tần.1 Antenna Monopole với slot hình T ngƣợc, hai slot hình chữ nhật và hệ số phản xạ[20] Hình 1.2 Băng tần hoạt động của antenna[20] Cũng sử dụng một slot hình chữ nhật đặt ở cạnh trên mass, nghiên cứu[21] đƣa ra sơ đồ tƣơng đƣơng phân tích tác động này dựa vào lý thuyết nêu ra trong[19]. Tuy nhiên băng tần vẫn chƣa đƣợc cải thiện tốt so với[20].3 Cấu trúc antenna và đồ thị S11[21] HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS.
Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -5- Hình 1.4 Sơ đồ tƣơng đƣơng của slot hình chữ nhật ở cạnh trên mass[21] Việc ghép các patch vào patch bức xạ chính cũng có thể tạo ra các tần số cộng hƣởng phụ góp phần tăng cƣờng băng tần hoạt động của antenna nhƣ trong[22][23]. Trong [22], hai patch phụ đƣợc ghép ở cạnh trên patch bức xạ chính cho các tần số cộng hƣởng tại 3.5 GHz, 6 GHz và 8 GHz.5 Antenna Monopole với hai patch phụ ghép cạnh trên patch bức xạ chính và đồ thị phản xạ[22] Tƣơng tự, trong[23], hai patch hình gamma đối xứng đƣợc thêm vào cấu trúc antenna bán ellip. HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS.
Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -6- Hình 1.6 Antenna bán Ellip với hai patch phụ hình gamma[23] Các patch phụ có chiều dài điện hiệu dụng bằng một nữa bƣớc sóng tại tần số cộng hƣởng. Kết quả thiết kế và đo đạc sau khi tối ƣu các thông số trong[23], nhƣ sau.7 Đồ thị S11[23] Trong[24], cả patch và slot đều đƣợc dùng để nới rô ̣ng băng tầ n antenna.8 Antenna Monopole với băng tần mở rộng khi thêm patch và slot[24] Với viê ̣c thêm vào slot hình T ngƣơ ̣c ở trong patch bƣ́c xa ̣ , gầ n ca ̣nh dƣới và mô ̣t patch phu ̣ đồ ng da ̣ng slot , coupling với patch chí nh, băng tầ n mở rô ̣ng đế n 130% (2. HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS.
Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -7- Ngoài việc tăng cƣờng băng tần , các yếu tố hình học còn có thể tác động đế n cấ u trúc antenna để tạo ra các Band -notched. Band-notched chắn các dải tần của hệ thống thông tin băng hẹp (WLAN, WiMAX…) khi cùng hoạt động trong một khu vực với hệ thống UWB. Trong[25], dƣ̣a trên cấ u trúc antenna với slot bƣ́c xạ có dạng hình chữ nhật , các slot lầ n lƣơ ̣t đƣơ ̣c đƣa vào để ta ̣o băng chắ n .9 a) Antenna Slot Monopole, b) Đồ thị Return Loss[25] Hình 1.10 Ba mẫu cấ u trúc antenna UWB có Band-Notched[25] Mẫu antenna thƣ́ nhấ t ta ̣o mô ̣t slot da ̣ng vòng hở , chiề u dài tƣơng đƣơng với nƣ̉a bƣớc sóng ta ̣i tầ n số 5.5 GHz (dải chắn WLAN 5.
Trong khi mẫu thƣ́ hai là hai slot hở đầ u cuố i mỗi slot có chiề u dài khoảng mô ̣t phầ n tƣ bƣớc sóng cũng tại tần số 5. Mẫu cuố i cùng thêm vào hai patch phu ̣ đố i xƣ́ng hai bên , mỗi patch có chiề u dài nƣ̃a bƣớc sóng. Kế t quả mô phỏng hê ̣ số phản xa ̣ nhƣ sau. HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS.
Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -8- Hình 1.11 Kế t quả Return Loss và đô ̣ lơ ̣i ƣ́ng với các mẫu antenna[25] Cả ba mẫu antenna đều có Band -Notched tƣ̀ 5-6 GHz và phố i hơ ̣p trở kháng tố t ở các dải tần còn lại trong vùng băng tần UWB. Các đáp ứng Return Loss tại dải chắn tƣơng đố i giố ng nhau. Trong thiế t kế gầ n đây , mô ̣t cấ u trúc antenna UWB khác với phƣơng pháp Band -Notched tƣơng tƣ̣ nhƣng cho đáp ƣ́ng tầ n số tố t hơn đƣơ ̣c đƣa ra[26] a) b) Hình 1.12 Antenna Circular Slot và đáp ƣ́ng tầ n số S11[26] Cũng cùng dạng antenna Slot , nhƣng slot bƣ́c xa ̣ hin ̀ h tròn.
Antenna ban đầ u đƣơ ̣c thiế t kế tƣơng đố i không phố i hơ ̣p tố t ở các tầ n số 4 GHz, 6 GHz, 9-10 GHz trong miề n UWB. Sau đó, bố n da ̣ng slot đƣơ ̣c đƣa vào nhƣ sau.13 Tạo ra Band-Notched tƣ̀ các da ̣ng slot khác nhau[26] HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS. Phan Hồng Phương ThS. Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu -9- Trong các da ̣ng slot đó , dạng A với hai slot hình L ngƣợc , ở hai bên patch bức xạ cho đáp ƣ́ng tầ n số S 11 tố t nhấ t , và đặc tính chắn dải tốt hơn so vớ i thiế t kế trong[25] Hình 1.14 Đáp ƣ́ng tầ n số của S 11 ứng với các dạng slot[26] Nhìn chung các slot có nhiều hình dạng khác nhau , thƣờng thấ y là da ̣ng hin ̀ h chƣ̃ U hoă ̣c U ngƣơ ̣c ở patch bƣ́c xa ̣ chính [27][28][29].
Trong[27], patch bƣ́c xa ̣ đƣơ ̣c hiê ̣u chỉnh bởi hai U slot đối xứng , tạo ra Band -notched chắ n dải tầ n 5. Mỗi U slot có chiề u dài tƣơng đƣơng nƣ̃a bƣớc sóng ta ̣i tầ n số trung tâm băng chắ n .15 a) Antenna Monopole với hai U slot và b) Đồ thị VSWR[27] Trong thiế t kế này, đô ̣ lơ ̣i đa ̣t đƣơ ̣c khá ổ n đinh ̣ trên miề n tầ n số. HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS. Phan Hồng Phương ThS.
Hoàng Mạnh Hà Chương 1 Mở Đầu - 10 - Hình 1.16 Độ lợi antenna[27] Cũng sử dụng U slot , trong[28] U slot ngƣơ ̣c đƣơ ̣c đă ̣t ngay giƣ̃a patch bƣ́c xa ̣. Chiề u dài hiê ̣u du ̣ng U slo t tƣơng đƣơng nƣ̃a bƣớc sóng ta ̣i tầ n số công hƣởng Band-notched.17 Antenna Monopole với da ̣ng U slot ngƣơ ̣c[28] Trong nghiên cƣ́u [28] này, 19 mẫu thƣ̉ với chiề u dài , chiề u rô ̣ng slot , bề dày và hằ ng số điê ̣n môi substrate khá c nhau đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng để kiể m chƣ́ng giƣ̃a viê ̣c tin ́ h toán lý thuyết chiều dài nữa bƣớc sóng slot và kết quả đo đạc thực nghiệm. Với phƣơng pháp tính để ra[28] kế t quả thu đƣơ ̣c có đô ̣ chính xác 2%. Phát triển từ dạng U, antenna[29] đƣơ ̣c thiế t kế Band-notched với E slot.
HVTH: Nguyễn Trung Lương GVHD: TS.