1

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

1. Giới thiệu
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 thiết kế ở trên. Cũng
bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu anten.
Gần đây, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng
thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm 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 (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz),
đã được phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng
cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống
mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần
2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).
Trong bài, trình bày thiết kế các một anten vi dải băng rộng đa dải tần, sử
dụng cho các thiết bị di động hoạt động trong dải tần GSM, UTMS, WLAN. Anten
được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi ε
r
=4.4, độ dày là 0.8 mm và được
thiết kế tại tần số 900 MHz và 2000MHz. Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft
HFSS để thiết kế và mô phỏng. HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite
Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và giao


Hình 2.2: Thành phần bức xạ của anten
Thành phần bức xạ đơn cực phẳng chiếm diện tích là 36 x 15 mm2, và được in
trên chất nền FR4 dày 0.8 mm (hằng số điện môi tương đối là 4.4). Tấm điện môi
này được dùng phổ biến để làm các mạch PCB cho điện thoại di động. Chất nền (lớp
điện môi) rộng 36 mm và dài 75 mm. Ở mặt sau của tấm điện môi, mặt phẳng đất
được in có chiều rộng 36 mm và chiều dài 60 mm. Thành phần bức xạ đơn cực được
tiếp điện bởi một đường vi dải 50 Ω như được chỉ ra trong hình 2.1.
Thành phần bức xạ chính (patch) ban đầu có dạng hình chữ nhật. Bằng cách xẻ
một rãnh uốn khúc trên thành phần bức xạ ban đầu tạo ra 3 nhánh, trong đó nhánh
cộng hưởng thứ nhất là nhánh dài hơn, nhánh cộng hưởng thứ hai là nhánh ngắn hơn
và nhánh điều chỉnh (nhánh thứ ba) với các kích thước chi tiết được chỉ ra trong hình
2.3.

Hình 2.3: Kích thước chi tiết thành phần bức xạ của anten
Ta mong muốn anten hoạt động tại 2 dải tần (dải thứ nhất cho GSM và dải thứ
hai gồm 4 dải gần nhau là DCS, PCS, UTMS và WLAN), do đó thiết kế ban đầu chỉ
có 2 nhánh cộng hưởng (không có nhánh thứ ba). Chiều dài của nhánh dài hơn tính
từ điểm tiếp điện tới đầu cuối của nhánh cộng hưởng thứ nhất là khoảng 75 mm. Giá
4

trị này rất gần với ¼ bước sóng tại tần số 900MHz trong không gian tự do. Cũng nên
chú ý rằng, tần số cộng hưởng phụ thuộc cả vào chiều dài của nhánh và chiều rộng
của đầu cuối. Theo cách tương tự, chiều dài của nhánh cộng hưởng thứ hai tính từ
điểm tiếp điện tới đầu cuối của nó là khoảng 35 mm, xấp xỉ ¼ bước sóng tại tần số 2
GHz. Độ dài 2 nhánh cộng hưởng được chọn ngắn hơn so với ¼ bước sóng cộng
hưởng được chọn. Lý do chính là một số tồn tại trong thực tế của chất nền sẽ thu
ngắn bước sóng cộng hưởng.
Anten với chỉ 2 nhánh cộng hưởng 1 và 2 có khả năng hoạt động ở 2 dải tần. Tuy
nhiên, băng thông lại chưa đủ để bao phủ tất cả 5 dải tần được liệt kê ở trên, đặc biệt

r
= 4.4 (FR4-
epoxy), chiều cao chất nền h= 0.8 mm, độ dày lớp đồng là t = 0.034 mm.
Các bước thiết kế lần lượt như sau:
1. Khởi động Ansoft Designer 2.0
2. Từ menu Project, chọn Insert Planar EM Design… Sau đó cửa sổ Choose
Layout Technology xuất hiện cho phép bạn chọn Layout.
3. Ta chọn MS-FR4(Er=4.4) 0.060 inch, 0.5 oz copper. Sau đó nhấn Open.
4. Cửa sổ thiết kế xuất hiện, cho phép bạn thực hiện các thao tác thiết kế. Từ
menu Layout, ta chọn Layers, chọn tab Stackup để sửa đổi các thông số
của đường truyền như hình 2.6:
6 Hình 2.6: Thiết lập các thông số của đường truyền
5. Ta sẽ ước lượng độ rộng (W) của đường truyền vi dải. Từ menu Planar
EM, ta chọn Estimate. Cửa sổ Estimate xuất hiện, với tab mặc định là
Tline.

Hình 2.7: Ước lượng độ rộng W của đường truyền vi dải
2.2. Mô phỏng cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS
HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô
phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ
thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa.
Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải)
trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D
thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi
(adaptive meshing) và kỹ thuật đồ họa. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính
toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham

)]
Trong đó i và j là chỉ số của phần tử tuơng ứng trong ma trận S và N là chỉ số
của bước thích nghi. Delta S là giá trị lớn nhất của gia số của biên độ của tham số S
tương ứng. HFSS sẽ so sánh giá trị Delta S này với tiêu chuẩn hội tụ do người dùng
định nghĩa để kết luận sự hội tụ của lời giải.
8 Hình 2.8: Chu trình thực hiện mô phỏng với HFSS
2.3. Thiết đặt các tham số trong HFSS
2.3.1. Solution Setup
Click phải vào Analysis và chọn Add Solution Setup…. Cửa sổ Solution Setup sẽ
hiển thị. Tại đây ta sẽ thiết đặt Solution Frequency (hay Adaptive Frequency) và
Convergence Criteria (tiêu chuẩn hội tụ).
General Tab
Solution Frequency
Tần số này được sử dụng bởi thành phần chia lưới thích nghi (adaptive mesher) để tự
động chia mắt lưới. Sau khi thiết đặt “Solution frequency”, tất nhiên sẽ nhận được
một giá trị bước sóng tương ứng, và HFSS sẽ thiết đặt việc tính toán các mắt lưới
theo giá trị bước sóng này. Do đó, nếu thiết đặt tần số “Solution frequency” cao hơn,
ta sẽ nhận được bước sóng ngắn hơn, mắt lưới ta thu được cũng nhỏ hơn. Điều đó
cũng có nghĩa rằng, số lượng mắt lưới sẽ lớn hơn. Về lý thuyết, kết quả mô phỏng
nhận được sẽ chính xác hơn. Vì vậy, “Solution frequency” không nhất thiết phải
trùng với tần số cộng hưởng của cấu trúc.
Tuy nhiên, ta sẽ gặp một vấn đề khác đó là: tài nguyên của máy vi tính (bộ nhớ) là có
9

hạn. Do đó, nếu số lượng mắt lưới quá lớn, sẽ làm tràn bộ nhớ máy tính. Giải pháp
cho vấn đề này được thực hiện như sau: chia dải tần quan tâm (500 MHz – 3 GHz),
đối với anten được thiết kế trong khóa luận này, thành 5 dải tần nhỏ hơn và thực hiện

hội tụ.
Maximum Delta S Per Pass: giá trị này định nghĩa tiêu chuẩn hội tụ cho quá trình
chia lưới thích nghi. Thông thường giá trị này được chọn khoảng 0.02 hoặc 0.01 là
đủ.
Quá trình chia lưới thích nghi có thể sẽ ngừng khi số lượng bước thích nghi chưa đạt
đến giá trị “Maximum Number of Passes” nếu giá trị Delta S đã thỏa mãn tiêu chuẩn
hội tụ “Maximum Delta S Per Pass” được thiết lập ở trên.
Advanced Tab
Initial Mesh Options
Do Lambda Refinement: lưới khởi tạo là một hệ thống mắt lưới có dạng tứ diện bất
kỳ. Quá trình Lambda Refinement sẽ thao tác trên lưới khởi tạo cho tới khi hầu hết
các độ dài của phần tử mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng trong không khí và 1/3 bước
sóng trong điện môi. Bước sóng được tính toán từ giá trị tần số được nhập vào trong
tuỳ chọn “Solution Frequency” trong tab
General
Use Free Space Lambda: tuỳ chọn này sẽ ép quá trình Lambda Refinement hướng tới
kích thước mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng trong không khí. Các đặc tính vật liệu của
cấu trúc sẽ bị bỏ qua. Điều này có thể hữu dụng trong các ứng dụng sử dụng các điện
môi có độ dẫn điện cao.
Adaptive Options
Refinement Per Pass: số lượng mắt lưới tăng lên sau mỗi bước thích nghi và được
điều khiển bởi tuỳ chọn Refinement Per Pass, tham số này tính theo phần trăm. Điều
này đảm bảo rằng giữa mỗi bước thích nghi, mắt lưới đủ xáo trộn và đảm bảo rằng
bạn sẽ không nhận được sự hội tụ sai.
Minimum Number of Passes: một phân tích thích nghi sẽ không dừng cho tới khi số
lượng bước tối thiểu mà bạn xác định trong tùy chọn này đã hoàn thành, thậm chí
11

ngay cả khi tiêu chuẩn hội tụ đã thoả mãn.
Minumum Converged Passes: một phân tích thích nghi sẽ không dừng trừ khi số

4 mm
2500 3000 MHz
3 mm

Hình 2.11: Thiết đặt tùy chọn Mesh Operations
2.3.3. Radiation Boundary
Biên bức xạ (radiation boundary), cũng còn gọi là biên hấp thụ (absorbing
boundary). Sóng điện từ bức xạ ra ngoài cấu trúc anten và đi thẳng tới biên bức xạ.
Hệ thống sẽ hấp thụ các sóng bức xạ này tại biên bức xạ. Các biên bức xạ cũng có
thể được đặt tương đối gần với cấu trúc và có thể có hình dạng bất kỳ. Với cấu trúc
13

được thiết lập biên bức xạ, các tham số S được tính toán có tính đến cả các ảnh
hưởng của mất mát do bức xạ. Khi biên bức xạ được thiết lập trong một cấu trúc,
trường xa được tính toán dựa trên sóng hấp thụ thu được tại biên bức xạ.
Để đơn giản, ta thường vẽ biên bức xạ là một hình hôp chữ nhật, và độ dài cạnh của
nó thường được chọn bằng bước sóng trong chân không của tần số thấp nhất trong
dải tần quan tâm. Tuy nhiên, đôi khi quá trình mô phỏng với thiết đặt biên bức xạ
như vậy diễn ra quá chậm, ta có thể thiết đặt biên bức xạ bằng chỉ ½ giá trị bước
sóng trong chân không của tần số thấp nhất. Trong khóa luận này, tần số thấp nhất
trong dải 500 MHz – 3000 MHz là 500 MHz, do đó ta vẽ biên bức xạ là một hình
hộp chữ nhật (hình 3.1) với độ dài cạnh là 300 mm (1/2 bước sóng tại tần số 500
MHz).

Hình 2.12: Biên bức xạ cho anten trong khóa luận
3. Kết quả mô phỏng với HFSS 13.0
Với tiêu chuẩn hội tụ được thiết đặt ở trên là: sự thay đổi cực đại của biên độ của
tham số S phải nhỏ hơn 0.02 (giá trị mặc định), HFSS cần 6 bước thích nghi để thỏa
mãn tiêu chuẩn hội tụ này. Hình 3.1 thể hiện quá trình hội tụ của lời giải
14

17 Hình 3.7: Giản đồ bức xạ 3D trường xa trong hệ tọa độ cực tại tần số 870 MHz

Hình 3.8: Giản đồ bức xạ 3D trường xa trong hệ tọa độ cực tại tần số 2160 MHz

Hình 3.9: Giản đồ bức xạ 3D trường xa trong hệ tọa độ cực tại tần số 2380 MHz
18

Từ các giản đồ bức xạ trên ta thấy, khi tần số tăng lên thì giản đồ bức xạ của anten bị
bóp méo dần, do ảnh hưởng của bức xạ của mặt phẳng đất, cũng như bức xạ do
đường tiếp điện vi dải, cũng như sự lệch phối hợp trở kháng tăng lên.
4. Kết luận
Khóa luận là bước mở đầu trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo anten mạch dải
băng rộng có khả năng hoạt động tại nhiều băng tần. Tuy nhiên trong điều kiện cơ sở
vật chất còn khó khăn, em đã thực sự cố gắng để đạt được một số kết quả thiết thực
nhất định.
Hướng phát triển tiếp theo của khóa luận gồm những vấn đề sau:
 Tối ưu hóa các thiết đặt tham số trong phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS
13.0 để thu được kết quả chính xác hơn nữa (Chi tiết trình bày trong phần
phụ lục B). Một số tham số quan trọng trong đó là:
o Mesh Operations
o Chia dải tần cần quan sát thành các dải nhỏ hơn, thực hiện phân tích
từng dải với tham số Solution frequency được chọn phù hợp cho từng
dải.
 Làm tăng băng thông thêm nữa. Tập trung vào việc điều chỉnh kích thước của
nhánh cộng hưởng thứ 1, vị trí của điểm tiếp điện, và nghiên cứu chi tiết các
ảnh hưởng của nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3).
 Lựa chọn bộ phối hợp trở kháng dải rộng khác có đặc tính tốt hơn. Cụ thể là