Đề tài Nghiên cứu thiết kế anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến

MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt CST Computer simulation technology Phần mềm mô phỏng công nghệ trên máy tính GSM Global system for mobile communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu MPA Microstrip patch antenna Anten bức xạ vi dải CPW Coplanar waveguide ống dẫn sóng đồng phẳng GND Ground Đất MTA Microstrip traveling – wave antenna Anten vi dải sóng chạy TM Transverse magnetic Từ trường ngang BW Bandwidth Băng thông DGS Defected ground structure Cấu trúc mặt đấu khuyết thiếu HPBW Half power beam width Độ rộng búp sóng nửa công suất WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ 4 Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng 5 Hình 1.3 Anten patch vi dải 7 Hình 1.4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải 7 Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in 8 Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực 8 Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy 9 Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải 10 Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục 11 Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe 11 Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần 12 Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật 13 Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía 17 Hình 1.14 Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp 19 Hình 1.15 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật. 20 Hình 1.16 Mô hình hốc cộng hưởng 21 Hình 1.17 Các mode của anten vi dải patch hình chữ nhật 23 Hình 2. 1 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở kháng 26 Hình 2. 2 Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe 29 Hình 2. 3 Một số khuôn mẫu DGS 31 Hình 2. 4 Tính toán trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải 34 Hình 3. 1 Giao diện phần mềm CST.........................................................................36 Hình 3. 2 Hình dạng anten vi dải hình chữ nhật tiếp điện bằng đường vi dải cắt sâu 38 Hình 3. 3 Cấu trúc 3D anten vi dải ban đầu 39 Hình 3. 4 Anten vi dải sau khi kết hợp cấu trúc DGS dạng 3D và mặt sau anten 39 Hình 3. 5 Tần số cộng hưởng tính theo lý thuyết bị lệch 40 Hình 3. 6 Thông số S11 của anten vi dải với f= 5,25 GHz 40 Hình 3. 7 Bức xạ 3D và 2D của anten ban đầu 41 Hình 3. 8 Tham số VSWR của anten vi dải 41 Hình 3. 9 Anten với độ dày chất nền thay đổi h=2,2 mm và h=2,6mm 42 Hình 3. 10 Anten với DGS ở dưới giữ nguyên độ dày h 42 Hình 3. 11 Anten với DGS ở bên trái patch và giữ nguyên độ dày h 43 Hình 3. 12 Tham số S11 của anten vi dải sau cải thiện băng thông 43 Hình 3. 13 Đồ thị bức xạ và hiệu suất của anten vi dải dạng 3D và trong mặt phẳng E sau khi cải thiện băng thông 44 Hình 3. 14 Tham số VSWR của anten vi dải sau khi cải thiện băng thông 44 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bảng so sánh băng thông của các hình dạng patch tại VSWR=2 27 Bảng 2 Các thông số đầu vào của anten vi dải 37 Bảng 3 Các thông số thiết kế anten vi dải 37 Bảng 4: Thông số kích thước của cấu trúc DGS 39 Bảng 5 So sánh các thông số của anten vi dải ban đầu và anten cải thiện băng thông 44 LỜI MỞ ĐẦU Cho đến thời điểm hiện tại không thể phủ nhận vai trò quan trọng của truyền thông vô tuyến và các thiết bị liên quan, nó gắn liền với cuộc sống hàng ngày và phủ sóng khắp toàn cầu, những năm gần đây sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến đã thúc đẩy sử phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến, cùng với sự phát triển đó thì anten - thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống viễn thông nào cũng không ngừng được quan tâm nghiên cứu phát triển để phù hợp với các thiết bị thông tin vô tuyến hiện đại. Những nghiên cứu về anten mang ý nghĩa hiệu quả truyền thông vô tuyến được quan tâm nhất đầu tiên phải kể đến là anten vi dải . Nhờ các ưu điểm nối bật như: có kích thước mỏng, nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ dàng sản xuất, dễ phối hợp trở kháng và dễ tích hợp các cấu trúc trên bề mặt, mà anten vi dải đã được lựa chọn làm anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến như: Điện thoại di động cầm tay, các kỹ thuật lường từ xa, các mạng wifi... Tuy nhiên anten vi dải lại có hạn chế lớn về mặt băng thông, băng thông rất hẹp trong khi rất nhiều ứng dụng hiện nay đòi hỏi anten phải có kích thước nhỏ, băng thông rộng và đồng thời lại có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau. Với những yêu cầu thực tế trên, em lựa chọn đề tài ‘’Nghiên cứu thiết kế anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến’’ làm đồ án tốt nghiệp mình, đồ án sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng anten. Nội dung của báo cáo đồ án được chia làm ba chương: Chương 1: Sơ lược về anten vi dải Chương 2: Phân tích phương pháp tính tính toán, thiết kế anten vi dải băng rộng Chương 3: Thiết kế, mô phỏng anten vi dải băng rộng bằng phần mềm CST Do một vài yếu tố khách quan và chủ quan nên bản báo cáo vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn để bài báo cáo của em được hoàn thiện hơn nữa. Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018 Sinh viên thực hiên Lê Thị Hoài LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em muốn được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn của em là cô Hoàng Thị Phương Thảo – giảng viên Trường Đại học Điện Lực đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô giáo trong và ngoài trường Đại học Điện Lực đã giảng dạy em trong 4,5 năm qua, những kiến thức và kinh nghiệm quý báu mà thầy cô đã truyền đạt cho em trên giảng đường đại học là nền tảng giúp em hoàn thành bài báo cáo này và là hành trang vững chắc cho em trong bước đường tương lai. Em xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án của mình. Trong quá trình thực tập khó có thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô cũng như của các bạn. Em xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna) Các khái niệm đầu tiên về anten vi dải được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955. Nhưng phải 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo. Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch (mặt bức xạ) rất mỏng với bề dày t<< λ: bước sóng không gian tự do nằm trên Dielectirc Substrate (lớp chất nền điện môi) có ε <=10 , phía đối diện với patch là Ground Plane (mặt phẳng đất). Patch là vật dẫn điện, thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ. Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác. Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên. Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng Một số ứng dụng của anten vi dải: Các anten dùng trong thông tin vô tuyến. Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ. Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị. Vũ khí thông minh . Sử dụng cho GSM hay GPS. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten vi sóng thông thường và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số 100MHz-100GHz. Anten vi dải có các ưu điểm [3]: Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng. Chí phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt. Phân cực tuyến tính và phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn giản. Anten hoạt động ở nhiều tần số kép và anten phân cực kép có thể thực hiện dễ dàng. Có thể dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp vi sóng. Các đường tiếp điện và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể được cùng thiết kế trên một cấu trúc anten. Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng. Tương thích với các thiết bị di động. Nhược điểm của anten vi dải [3] Có băng thông hẹp. Độ lợi thấp (thường nhỏ hơn 10 dB). Suy hao lớn trong cấu trúc tiếp điện của các anten mảng. Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất. Khả năng tản nhiệt của anten vi dải kém. Các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các mối nối còn khá nhiều. Khả năng điều khiển điện áp thấp. Độ lợi và hiệu suất giảm, mức độ phân cực chéo cao với anten mảng ở tần số cao. Xuất hiện sóng bề mặt. Một số loại anten vi dải thông dụng Anten patch vi dải Anten patch vi dải (Microtrip patch antenna: MPA) bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế. Hình 1.3 Anten patch vi dải Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó, anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vuông, chữ nhật, tròn,...) nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình chữ nhật và hình tròn là hai dạng thông dụng và được sử dụng rộng rãi [3]. Hình 1.4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải Anten khe mạch in Anten khe mạch in (Printed slot antenna) có cấu tạo gồm một khe trong mặt phẳng đất của một đế được nối đất, khe này có nhiều hình dạng khác nhau: hình chữ nhật, hình tròn,... Anten này có thể được tiếp điện bằng sóng dẫn phẳng hay đường truyền vi dải, bức xạ theo hai hướng hay trên cả hai mặt của khe [3]. Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in Anten vi dải lưỡng cực Anten vi dải lưỡng cực có hình dạng giống với anten patch hình chữ nhật những khác nhau ở tỉ số L/W. Chiều rộng của anten lưỡng cực so với anten patch thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do. Đồ thị bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch vi dải giống nhau nhưng có các đặc tính khác nhau như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo. Anten vi dải lưỡng cực thích hợp với các ứng dụng tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối nên đạt được băng thông đáng kể [3]. Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực Anten vi dải sóng chạy Anten vi dải sóng chạy (Microtrip traveling-Wave antenna: MTA) gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải đủ dài và rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền TE. Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được mắc tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten [3]. Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải Hiện nay, các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-coupling),ghép gần (proximiti-coupling). Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần. Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in cấp cao, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất. Mặt phẳng đất là mặt phản xạ do đó đường truyền vi dải có thể được xem là đường truyền gồm hai dây dẫn. Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h. Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền. Hai tham số đôi khi có thể được bỏ qua là độ dày dải dẫn điện t và điện dẫn suất sigma. Feed Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải Tiếp điện bằng probe đồng trục Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền tải công suất cao tần. Phương pháp này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với mặt phẳng đất của anten vi dải. Ưu điểm: Đơn giản trong quá trình thiết kế. Có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ phối hợp trở kháng. Nhược điểm: Vì dùng đầu feed hàn vào patch nên có phần dư ra phía ngoài làm anten không hoàn toàn phẳng và mất tính đối xứng. Khi cần cấp nguồn trong thiết kế mảng sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên gây khó khăn cho việc thiết kế và giảm độ tin cậy. Khi cần tăng băng thông của anten đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền dẫn đến bức xạ rò và điện cảm của probe tăng lên và tăng chiều dài lõi cáp. Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling) Phương pháp này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ bức xạ không cần thiết của đường vi dải. Cấu trúc gồm hai lớp điện môi, patch được đặt trên cùng, mặt phẳng đất ở giữa có một khe hở nhỏ, khe ghép luôn đặt dưới và chính giữa bản kim loại nhằm giảm phân cực chéo do tính đối xứng, đường tiếp điện ở lớp điện môi dưới. Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe Ưu điểm: thông thường lớp điện môi trên có hằng số điện môi thấp hơn lớp điện môi dưới nên hạn chế bức xạ không mong muốn. Nhược điểm: phương pháp khó thực hiện do phải làm nhiều lớp, làm tăng độ dày của anten. Phương pháp sử dụng cho băng hẹp. Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling) Bản chất của phương pháp là ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và patch. Cấu trúc này gồm hai lớp điện môi, đường patch nằm ở miếng điện môi trên đường tiếp điện ở giữa hai lớp điện môi. Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần Ưu điểm: Loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện. Cho băng thông rộng (khoảng 13%). Nhược điểm: Khó khăn trong việc thiết kế và thi công vì đường tiếp điện nằm trong hai lớp điện môi và làm anten có chiều dày hơn. Anten patch hình chữ nhật Anten patch hình chữ nhật là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất. Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải. Phần tiếp điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra khỏi patch. (a) (b)(c) Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật Phân bố trường ở mode cơ bản Phân bố dòng trên bề mặt patch Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (Z) theo chiều dài patch Hình 12. a, điện trường bằng không ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện. Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten. Điện trường mở rộng ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi- không khí. Thành phần điện trường mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ. Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò. Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hóc cộng hưởng là mode TM10. Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn. TM tượng trung cho phân bố từ trường ngang, có 3 thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và y trong hệ tọa độ Đề các, trục x và y song song với mặt phẳng đất, trục z vuông góc với mặt phẳng đất. Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo trục z coi như không đáng kể. Do đó, kí hiệu TMnm chỉ sự biến đổi của trường theo hướng x và y, sự biến đổi của trường theo hướng y không đáng kể nên m=0, trường biến đổi chủ yếu theo hướng x nên ở mode cơ bản n=1. Hình 12- b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải, trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải. Từ biên độ của dòng áp ta có thể tìm được trở kháng. Trở kháng đạt cực tieru ở giữa patch và cực đại ở gần hai cạnh. Có một điểm nằm ở vị trí dọc theo trục x tại đó trở kháng là 50 Ohm ta có thể đặt tiếp điện tại đó. Nguyên lý bức xạ anten vi dải Lựa chọn đế điện môi sử dụng có bề mặt mỏng và hệ số điện môi tương đối cao giúp bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn. Vì thế, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp. Bức xạ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch. Xem anten vi dải như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L, trường bức xạ anten vi dải chính là tổng trường bức xạ từ hai phần tử mảng, trong đó mỗi phần tử biểu diễn cho một khe. Khi hai khe giống nhau ta có thể tính trường tổng cộng bằng cách dùng hệ số mảng cho hai khe. Trường điện vùng xa bức xạ bởi mỗi khe được tính theo mật độ dòng tương đương như sau: E=Er+Eθ+Eϕ Er=Eϕ=0 Eϕ=jk0hWE0e-jk0r2πrsinθsin(X)Xsin(Z)Z Với X=k0h2sinθcosϕ ; Z=k0W2cosϕ Khi chiều cao rất nhỏ (k0h <<1), công thức trên được rút gọn còn: Eϕ=+jV0e-jk0rπrsinθsink0W2cosθX Trong đó V0 = hE0 là điện áp qua khe. Hệ số mảng cho hai thành phần cùng biên độ và pha lệch nhau một khoảng cách Le dọc theo hướng y là : (AF)y= 2cosk0Le2sinϕsinθ Với Le là chiều dài hiệu dụng. Khi đó tổng trường điện cho hai khe (cũng như cho anten vi dải) là : Eϕt=+jk0hWE0e-jk0rπrsinθsinXXsin(Z)Zcosk0Le2sinϕsinθ Với X=k0h2sinθcosϕ Z=k0W2cosϕ Khi (k0h << 1) thì công thức trên trở thành: Eϕt≈+j2V0e-jk0rπrsinθsink0W2cosθcosθcosk0Le2sinϕsinθ E - plane (θ=90°, 0°≤ϕ≤90°, 270≤ϕ≤360°) Đối với anten vi dải, mặt phẳng x-y (θ=90°, 0°≤ϕ≤90°, 270≤ϕ≤360°) là mặt phẳng I chính và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở công thức trên trở thành: Eϕt≈+j2V0k0We-jk0rπrsinθsink0h2cosθk0h2cosθcosk0Le2sinϕsinθ H - plane ϕ= 90°, 0°≤θ≤180°, Mặt phẳng H chính của anten vi dải là mặt phẳng x-z (ϕ= 90°, 0°≤θ≤180°) và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở (1.35) trở thành : Eϕt≈+jk0WV0e-jk0rπrsinθsink0h2cosθk0h2sinθsink0W2cosθk0W2cosθ Các mô hình phân tích anten vi dải Mô hình đường truyền (Transmission line) Anten vi dải hình chữ nhật có hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truyền vi dải, những anten loại này có thể được mô hình như một phần của đường truyền sóng. Mô hình đường truyền sóng là một trong những mô hình trực quan nhất trong phân tích anten vi dải và nó tương đối chính xác với lớp điện môi mỏng. Mô hình đường truyền sóng rất đơn giản và hữu ích trong việc xem xét hoạt động cơ bản của anten vi dải. Mô hình này xem anten vi dải như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L [2]. Hiệu ứng viền Trường tại gờ của patch bị viền do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, viền là một hàm theo kích thước của patch, chiều cao của lớp điện môi và hằng số điện môi. Hiệu ứng viền ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng của anten. Hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp nền và phần của một số đường nằm ở ngoài không khí. Khi L/h>>1, εr>>1, những đường sức điện tập trung đa phần trong lớp nền điện môi. Hằng số điện môi hiệu dụng dược sử dụng để hiệu chỉnh các ảnh hưởng của hiệu ứng viền đối với sóng trên đường truyền. Giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải với kích thước và chiều cao trên mặt phẳng đất ban đầu của nó được đưa vào một lớp điện môi đồng nhất. Hằng số điện môi hiệu dụng là hàm của tần số, khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đường sức điện trường tập trung trong lớp nền điện môi. Vì vậy đường truyền vi dải gần giống với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hằng số điện môi hiệu dụng tiến tới giá trị hằng số điện môi nền. Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là ε cơ bản, tần số tăng thì hằng số điện môi hiệu dụng càng tiến tới giá trị hằng số điện môi của chất nền. Hằng số điện môi hiệu dụng được tính theo công thức sau: εreff=εr+12+εr-121+12hW 12 với W/h≫1 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng Trong mặt phẳng Oxy do hiệu ứng viền, kích thước patch của anten vi dải về mặt điện lớn hơn so với kích thước vật lý. Do đó chiều dài điện của patch vượt so với chiều dài vật lý một khoảng ∆L về mỗi phía và được tính theo công thức: ∆L=0.412hεreff+0.3Wh+0.264εreff-0.258Wh+0.8 Khi đó, chiều dài của patch lúc này sẽ là: Lreff=L+2∆L Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía Giả sử, mode ưu thế là TM010 tần số cộng hưởng của anten vi dải là hàm của chiều dài: (fr)010=12Lεrμ0ε0=v02Lεr Với v0 là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do. Do hiệu ứng viền, nên công thức được thay thế bằng: (fre)010=12Lεrμ0ε0=1(2L+2∆L)εrefμ0ε0 =qv02Lεr với q=(fre)010(fr)010 Hệ số q là hệ số suy giảm chiều dài. Khi độ dày lớp nền điện môi tăng, hiệu ứng viền tăng dẫn đến sự khác biệt giữa những bức xạ rìa và các tần số cộng hưởng thấp hơn. Điện dẫn Anten gồm hai khe bức xạ, mỗi khe được diễn tả bởi một dẫn nạp Y (với điện dẫn G và điện nạp B),trong đó cho một khe với bề rộng hữu hạn: Y1= G1 +jB1 G1=W120λ01-124(k0h)2;hλ0<0.1 G1=W120λ01-0.636ln(k0h);hλ0<0.1 Hai khe được xem như đồng nhất, dẫn Gạp tương đương của nó sẽ là: Y2 = Y1; G2 = G1; B2 = B1 Điện dẫn của khe đơn có được bằng cách phân tích trường theo mô hình hốc cộng hưởng. G1=2PradV02 Với Prad là công suất bức xạ: Prad=V022πη00πsink0W2cosθcosθ2sin3θdθ Do đó, điện dẫn G có thể được biểu diễn lại: G1=1120π20πsink0W2cosθcosθ2sin3θdθ Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng Do hiệu ứng viền khoảng cách hai khe < λ/2, dẫn nạp của khe 2 là: Y2=G2+jB2=G1- jB1 Dẫn nạp và trở kháng vào tại cộng hưởng là: Yin=Y1+Y2=2G1 Zin=1Yin=Rin=12G1 Trong thực tế, hai khe có sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau biểu diễn bởi điện dẫn tương hỗ G12 do đó: Rin=12(G1±G12) Với dấu “+” tương ứng với các mode lẻ, Với dấu “-” tương ứng với các mode chẵn. G12=1120π20πsink0W2cosθcosθ2J0(k0Lsinθ)sin3θdθ Hàm J0 là hàm Bessel loại 1 bậc không. Hình biểu diễn thay đổi vị trí điểm feed và trở kháng chuẩn hóa ngõ vào khi điểm feed dịch chuyển theo trục y dọc theo đường truyền: Hình 1.14 Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp Với đường feed vi dải có trở kháng đặc tính Zc Zc=60εeffln8hW0+W04h , W0h≤1 120πεeffW0h+1.393+0.667ln(W0h+1.444), &W0h>1 W0 là chiều rộng đường feed, ngõ vào ứng với vị trí chèn tương ứng được cho bởi công thức: Rin(y=y0)=12(G1±G12)cos2πLy0+G12+B12Yc2sin2πLy0-B1Ycsin2πLy0 Với Yc=1/Zc là dẫn nạp đặc tính của đường feed. Hầu hết các đường feed vi dải có G1/Yc<< 1 và B1/Yc<< 1 nên: Rin(y=y0)=12(G1±G12)cos2πLy0=Rin(y=0)cos2πLy0 Thường phối hợp trở kháng với điện trở 50 Ohm nên độ dài inset feed là: y0=Lπcos-150Rin Mô hình hốc cộng hưởng Khi miếng patch được tiếp điện, điện tích phân bố được thiết lập ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất. Hình 1.15 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật. Sự phân bổ điện tích được điều khiển bởi hai cơ chế hút và đẩy. Cơ chế hút là các điện tích trái dấu dưới cùng của miếng patch và mặt phẳng đất có xu hướng giữ nguyên mật độ điện tích. Cơ chế đẩy là giữa các điện tích trên mặt đấy của miếng patch đẩy một số điện tích từ dưới cùng của patch, xung quanh các cạnh lên mặt trên của tấm patch. Sự dịch chuyển này tạo ra các mật độ dòng tương ứng là Jb và Jt tại mặt dưới và mặt trên của patch. Thực tế, anten vi dải có tỉ số h/W rất nhỏ nên cơ chế hút trội hơn và hầu hết điện tích tập trung ở mặt dưới miếng patch. Một lượng nhỏ dòng chảy xung quanh các cạnh của patch với bề mặt trên cùng của nó, dòng chảy giảm khi tỉ lệ h/W giảm, lý tưởng khi dòng này bằng 0 và sẽ không tạo ra từ trường tiếp tuyến với cạnh của patch, cho phép 4 cạnh bên được mô hình hóa thành các bề mặt dẫn từ hoàn hảo. Do độ dày của vi dải rất mỏng, các sóng được tạo ra bên trong của lớp nền điện môi bị phản xạ mạnh khi đến cạnh của patch, chỉ có sốt ít năng lượng tới được bức xạ, hiệu quả anten thấp. Vì độ dày của lớp nền rất nhỏ, có thể xem trường dọc theo chiều cao là không đổi, trường dò dọc theo cạnh patch cũng rất nhỏ, do đó điện trường E gần như vuông góc với bề mặt tấm patch. Chỉ có trường TM (từ ngang) được xét bên trong hốc, mặt trên và đáy là dẫn điện hoàn hảo, 4 cạnh tường xung quanh xem như các tường dẫn từ hoàn hảo [2]. Hình 1.16 Mô hình hốc cộng hưởng Các trường bên trong hốc cộng hưởng được biểu diễn bởi hàm vô hướng Ax thành phần theo trục x của vector từ thế. Ax thõa mãn phương trình sóng đồng nhất: ∇2Ax+k2Ax=0 với k=2Πλ Giải phương trình vi phân trên ta được nghiệm tổng quát: Ax = [A1cos(kxx) + B1sin(kxx)][A2cos(kyy) + B2sin(kyy)] [ A3cos(kzz) + B3sin(kzz)] Với kx, ky, kz là các hằng số sóng dọc theo các hướng trục x, y, z thõa mãn phương trình: kx2+ky2 +kz2=k2 Điện trường và từ trường bên trong hốc liên quan đến vector thế Ax: Ex=-j1ωμε(∂2∂x2+k2)Ax ; Hx= 0 Ey=-j1ωμε∂2Ax∂x∂y;Hz=-1μ∂Ax∂x Ez=-j1ωμε∂2Ax∂x∂z;Hz=-1μ∂Ax∂y Mode với tần số cộng hưởng thấp nhất là mode ưu thế, thông thường L>W nên mode với tần số cộng hưởng thấp nhất là mode TM010x: (fr)010=12Lμε=v02Lεr Mode TM010x là mode được xét trong mô hình truyền dẫn. Sự phân bố của một số mode bậc thấp được cho như hình dưới: Hình 1.17 Các mode của anten vi dải patch hình chữ nhật Các thông số khác của anten vi dải Băng thông của anten vi dải Độ rộng băng thông của anten mạch dải là khoảng tần số mà ở đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Độ rộng băng thông (BW) thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên khoảng tần số nào đó. Thường các anten vi dải dùng trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1. BW= VSWR-1QTVSWR Trong đó: VSWR là tỉ số sóng đứng. QT là hệ số phẩm chất của anten vi dải. QT = Năng lượng được tích trữ Năng lượng mất mát Theo công thức, BW tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất QT của anten. Vì vậy, để tăng băng thông ta có thể làm giảm hệ số phẩm chất QT. Ta có thể thay đổi chiều dày lớp điện môi cũng như hằng số điện môi để có thể đạt được hệ số phẩm chất mong muốn. Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn vì khi t ≥ 0,1𝞴0 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten. Phân cực của anten vi dải Anten vi dải có thể được chế tạo để nhận được trường bức xạ phân cực thẳng và phân cực quay. Phân cực thẳng sẽ nhận được khi điểm tiếp điện được đặt vào giữa một cạnh của tấm patch. Ta có thể tạo ra trường phân cực quay bằng cách tổ hợp hai sóng phân cực thẳng vuông góc với nhau. Ta có thể tạo ra hai sóng phân cực thẳng trực giao từ một phần tử anten vi dải hình vuông có kích thước L=W=𝞴d/2, với việc tiếp điện riêng rẽ vào hai điểm nằm ở trung điểm hai cạnh kề nhau của tấm patch. Độ định hướng của anten vi dải Độ định hướng của anten vi dải là một trong những hệ số chất lượng quan trọng đối với mỗi loại anten: D0=UmaxU0=4πUmaxPrad Trong đó: Prad là công suất bức xạ. Umax là mật độ bức xạ lớn nhất. Với trường hợp khe đơn: sử dụng điện trường thì mật độ bức xạ lớn nhất vậy nên độ định hướng của một khe đơn là: D0=2πWλ021I1 Trong đó: I1=0πsink02cosθcosθ2sin3θdθ Kết luận chương Chương này đã trình bày những kiến thức cơ bản về anten vi dải: định nghĩa anten vi dải, cấu trúc anten vi dải, các ưu điểm vượt trội và hạn chế băng hẹp của anten vi dải. Đồng thời cũng trình bày về nguyên lý bức xạ, một số công thức tính toán các thông số của anten vi dải và tìm hiểu về anten patch hình chữ nhật. Từ đó áp dụng để phân tích, tính toán đưa ra phương pháp mở rộng băng thông để thiết kế một anten vi dải băng rộng. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế anten Ảnh hưởng của các thông số chất nền Hệ số phẩm chất QT tỉ lệ nghịch với băng thông trở kháng, vì vậy có thể thay đổi các tham số của chất nền để đạt được hệ số QT mong muốn như thay đổi hằng số điện môi εr và độ dày của chất nền h. Theo công thức 1-38 thì: QT = Năng lượng được tích trữ Năng lượng mất mát Hình 2. 1 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở kháng Băng thông trở kháng của anten vi dải tăng khi độ dày chất nền tăng và giá trị hằng số điện môi giảm. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng khi h< 0.02λ, khi sử dụng chất nền có hằng số điện môi cao và độ dày lớn sẽ có nhiều nhược điểm: Năng lượng sóng mặt tăng lên, dẫn tới hiệu suất bức xạ kém, bức xạ các sóng bề mặt có thể làm méo giản đồ bức xạ gần đầu cuối đường tiếp điện vi dải. Các chất nền có độ dày lớn, khi tiếp điện tại cạnh của thành phần bức xạ sẽ làm tăng bức xạ giả từ đường vi dải, bức xạ từ đầu tiếp điện cũng sẽ tăng. Các chất nền dày hơn 0.11 λo và có εr = 2.2 có trở kháng tại điểm tiếp điện cho anten tăng, dẫn tới các vấn đề phối hợp trở kháng. Các mode bậc cao hơn chạy dọc theo chiều dày chất nền có thể tăng, làm méo các giản đồ bức xạ và thay dổi trở kháng đặc tính. Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp Có một số hình dạng patch có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng khác, tương ứng băng thông của anten có hình dạng đó sẽ cao hơn. Các hình dạng patch này gồm có: hình vành khuyên, hình tròn, hình chữ nhật/ hình vuông, patch sóng ngắn và các hình dạng cầu khác. Từ bảng ta thấy được băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng lên với sự gia tăng chiều rộng của patch. Bảng 1 Bảng so sánh băng thông của các hình dạng patch tại VSWR=2 Hình dạng patch Kích thước patch (cm) Băng thông (%) Hình chữ nhật hẹp L=4.924, W=2.0 0.7 Hình chữ nhật rộng L=4.79, W=7.2 1.6 Hình vuông L=W=4.82 1.3 Hình tròn Bán kính r=2.78 1.3 Hình vành khuyên B=8.9, a=4.45 3.8 Hình chữ nhật ¼ bước sóng L=2.462, W=2.0 1.05 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp Lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế anten. Có nhiều kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải như: tiếp điện bằng đường truyền vi dải, bằng đầu dò, ghép khe patch với một đường vi dải đã được nghiên cứu ở chương trước. Trong mô hình anten được thiết kế, phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng, phương pháp này dễ chế tạo và dễ phối hợp trở kháng. Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải có ưu điểm và hạn chế. Ưu điểm : dễ thực hiện vì patch có thể được xem là một đường truyền vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch. Nhược điểm: sẽ xuất hiện sự phát xạ không mong muốn nếu kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch. Để giảm bớt hạn chế trên và để có phối hợp trở kháng giữa feed line và patch ta sử dụng hai cách: Chọn điểm có trở kháng bằng với trở kháng của đường vi dải bằng cách cắt vào tấm patch một khoảng y0. Dùng bộ chuyển đổi trở kháng dùng các đoạn đường vi dải có chiều dài 𝞴/4 để có thẻ điều chỉnh trở kháng vào thích hợp. Kỹ thuật mở rộng băng thông Kỹ thuật kích thích đa mode Việc sử dụng một số chế độ cộng hưởng là một cách tiếp cận rất thành công trong việc thiết kế anten vi dải băng rộng. Ý tưởng của phương pháp này là sử dụng các bộ cộng hưởng, có thể ghép hai hay nhiều bộ cộng hưởng và điểu chỉnh để bao phủ toàn dải tần đang khảo sát. Phương pháp này được sử dụng cho các hình dạng khác nhau của anten vi dải, mỗi thành phần cộng hưởng được ghép sát với thành phần cộng hưởng khác, việc ghép sát này được điều khiển để tăng băng thông. Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng Hình mô tả một anten vi dải với 2 patch được xếp chồng, patch bên dưới có thể được tiếp điện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải, patch bên trên được ghép sát với patch bên dưới, để thu được tần số cộng hưởng khác một chút thì kích thước của patch phía trên hơi khác kích thước của patch bên dưới. Hình 2. 2 Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe Ta có thể điều chỉnh một số tham số như độ dày d1 và d2 của chất nền, hằng số điện môi εr1 và εr2 , độ lệch tâm của miếng patch, kích thước miếng patch và vị trí tiếp điện cho những ứng dụng khác nhau. Cấu hình anten với patch xếp chồng có những đặc điểm: Xếp chồng các patch không làm tăng diện tích bề mặt của phần tử so với các phần tử ký sinh đồng phẳng, phần tử xếp chồng có thể được sử dụng trong cấu trúc mảng mà không cần tăng khoảng cách giữa các patch và giải quyết được vấn đề thùy lưới liên quan. Các mẫu bức xạ và tâm pha của phần tử xếp chồng vẫn đối xứng trên dải hoạt động của nó. Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng Phương pháp ghép gần các patch đồng phẳng có tần số cộng hưởng có chênh lệch chút ít. Chỉ có patch ở giữa (patch điểu khiển) được tiếp điện và các patch khác hoặc là được ghép khe hoặc được ghép trực tiếp với patch điều khiển. Phương pháp sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng có nhược điểm là diện tích bề mặt tăng lên, giản đồ bức xạ và tâm pha biến đổi rõ rệt theo tần số, đặc biệt đối với các thiết kế băng thông rộng hơn. Tăng độ dày chất nền Phương pháp tăng độ dày chất nền chỉ hiệu quả với anten có độ dày chất nền h<0.02λ0 [3]. Băng thông gần như tăng tuyến tính khi độ dày chất nền chất nền tăng. Phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế: Công suất sóng về mặt tăng làm giảm hiệu suất bức xạ. Chất nền có độ dày 0.11λ khó phối hợp trở kháng. Chất nền càng dày có thể tạo ra các mode bậc cao dọc theo chiều dày của chất nền gây méo trong giản đồ bức xạ. Kỹ thuật DGS Kỹ thuật DGS (Defected ground structure: cấu trúc mặt phẳng đất khiếm khuyết) là kỹ thuật sửa đổi mặt phẳng đất được thực hiện bằng việc đưa một hình dạng khuyết thiếu vào mặt phẳng đất làm xáo trộn sự phân bố dòng tại mặt phẳng đất, làm thay đổi đặc tính của đường truyền. Một số cấu trúc được sử dụng phổ biến hiện nay được thể hiện ở hình dưới. Các mẫu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương LC, hệ số ghép nối, đáp ứng tần số và các thông số khác. Mặc dù hình dạng khuyết này thêm vào sẽ làm mất đi tính thống nhất của mặt phẳng đất nhưng không làm mặt phẳng đất bị lỗi. Ứng dụng của DGS trong anten vi dải: DGS được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kế mạch vi dải, đặt biệt cho các thiết kế nhỏ gọn như anten vi dải. DGS hiệu quả trong việc cải thiện suy hao phản xạ tại tần số cộng hưởng, cải thiện băng thông đường truyền, giảm kích thước anten, giảm sóng hài, phân cực chéo và giảm ảnh hưởng ghép tương hỗ. Hình 2. 3 Một số khuôn mẫu DGS Các cấu trúc thường được sử dụng là dạng chữ I, chữ L, chữ H, các dạng hình quả tạ... và dạng hình DGS phức tạp có chu kỳ. Các yêu cầu thiết kế của cấu trúc DGS: Thiết kế không làm thay đổi tần số làm việc của anten. Anten sau khi cải thiện băng thông có băng thông mở rộng về hai phía của tần số cộng hưởng. Cấu trúc DGS có tính đối xứng theo chiều ngang để không làm méo cấu trúc phát xạ của anten. Hiệu quả nhất là: tăng băng thông, giảm hệ số S11 và tăng độ lợi. Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản Thiết kế thành phần bức xạ Tính toán kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo công thức sau: Wp=12frμ0ε02εr+1=c2fr2εr+1 (mm) Chiều dài của miếng patch Hằng số điện môi hiệu dụng của patch tính bởi: εreff=εr+12+εr-121+12hW 12 Chiều dài mở rộng của miếng patch : ∆L=0.412hεreff+0.3Wh+0.264εreff-0.258Wh+0.8(mm) Chiều dài thật của miếng patch: Lp=v02frεreff-2∆L (mm) Thiết kế đường truyền vi dải Đồ án này, sử dụng tiếp điện bằng đường truyền vi dải. Có hai phương pháp để tính toán các thông số cho đường truyền vi dải, phương phát thứ nhất là dùng các công thức lý thuyết để tính toán, vì vậy cần chỉnh sửa nhất định để tối ưu các thông số. Phương pháp thứ hai là dùng phần mềm mô phỏng CST, phần mềm đã tính toán các tổng hao và tối ưu các tham số. Để thuận tiện trong quá trình thiết kế, trước tiên ta tính toán lý thuyết các tham số đường truyền để lấy giá trị sau đó tối ưu hóa các giá trị tính được bằng cách sử dụng phần mềm CST. Xác định độ rộng đường truyền vi dải bằng lý thuyết Điện dẫn G1 của khe 1: G1=I1120π2 G1 = I1/120π2 I1=0πsink0W2cosθcosθ2sin3θdθ = -2+ cos(X) + Xsin(X) +sin(X)X Với X = k0W. Điện dẫn ghép G12 giữa 2 khe tính bởi theo công thức 1-25: G12=1120π20πsink0W2cosθcosθ2J0(k0Lsinθ)sin3θdθ Với J0 là hàm Bessel loại 1, bậc 0. Trở kháng ngõ vào Rin tại cạnh (y=0) của anten vi dải tính bởi: Rin=12(G1+G12) (Ohm) Để trở kháng ngõ vào của anten là 50 Ohm, thì điểm cấp tín hiệu cho anten sẽ lấn sâu vào trong anten một khoảng y0 cho bởi 1-28 Rin(y=y0)=12(G1±G12)cos2πLy0=Rin(y=y0)cos2πLy0 =>y0=Lπcos-150Rin (mm) Để phối hợp trở kháng thì đường vi dải cấp tín hiệu cho anten tại vị trí y0 cần có bề mặt w0 cho bởi công thức: Zc=120πεreffwo4h+1.393+0.667lnwo4h+1.444 = 50 (Ohm) Từ đó ta tính được độ rộng đường feed w0. Xác định đường truyền vi dải bằng phần mềm CST Do công thức tính toán lý thuyết cho áp dụng trường hợp không có suy hao và tổn thất, cách tính bằng phần mềm CST đã tính đến các yếu tố suy hao trên đường truyền nên kết quả có sự sai khác giữa hai cách tính. Hình dưới mô tả việc tinh chỉnh thông số độ rộng đường truyền vi dải wf để có được trở kháng ngõ vào là 50 Ohm. Hình 2. 4 Tính toán trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng Phối hợp trở kháng giữa các đường dây tính theo công thức: Z(X)=R0ZL +jR0tag(βd)R0+jZL tag(βd) Việc sử dụng đường truyền vi dải với kích thước đoạn feed line là đáng kể so với kích thước patch sẽ gây ra nhiều bức xạ không mong muốn. Để khắc phục phục nhược điểm đó ta dùng bộ chuyển đổi trở kháng dùng các đoạn đường vi dải có chiều dài l = λ/4. Áp dụng công thức (1-50) trên ta có: Zin=R02ZL Như vậy, phối hợp trở kháng từ đường dây 100 Ohm sang đường dây 50 Ohm thì cần 1 đoạn dây dài λ/4 có điện trở: R = 100.50 = 70.7 (Ohm). Bề mặt w0 của đường truyền vi dải cũng được tính toán phù hợp với thông số điện trở của nó. Việc tính toán kích thước của đường truyền vi dải được thực hiện bằng công cụ Transmission line Caculation. Kết luận chương Chương 2 đã phân tích các yếu tố ảnh hướng đến việc thiết kế anten : các thông số chất nền, hình dạng thành phần bức xạ, lựa chọn kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải; các phương pháp cải thiện băng thông cho anten vi dải đồng thời trình bày phương pháp thiết kế anten vi dải hình chữ nhật cơ bản từ đó ứng dụng để lựa chọn, đưa ra cấu trúc và phương pháp thiết kế anten được thể hiện trong chương 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG Giới thiệu phần mềm mô phỏng CST Đồ án sử dụng phần mềm mô phỏng CST 2018 để tính toán, thiết kế, mô phỏng và phân tích anten dựa trên các thông số lựa chọn. Phần mềm mô phỏng CST là công cụ mạnh trong việc tính toán chính xác và hiệu quả cho các thiết kế điện từ, hơn nữa CST sử dụng giao diện đồ họa, dễ sử dụng, kết quả mô phỏng trực quan sinh động thuận tiện cho việc phân tích, tối ưu anten một cách nhanh chóng. CST sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method), kỹ thuật chia lưới thích nghi, với thư viện lớn và đầy đủ các vật liệu để xây dựng nên các phần tử trường điện từ. Hình 3. 1 Giao diện phần mềm CST Quy trình thiết kế anten vi dải với phần mềm CST Vẽ mô hình với các tham số cho trước. Thiết đặt các thông số để phân tích: nguồn cấp, dải tần số, tần số để hiển thị kết quả. Chạy mô phỏng. Hiển thị kết quả thu được: các tham số S, đồ thị bức xạ. Trong đồ án này, kết quả thu được qua việc mô phỏng anten vi dải bằng phần mềm CST như: các tham số S, giản đồ bức xạ... dùng để phân tích, đánh giá hiệu quả của anten thiết kế . Mục tiêu thiết kế Thiết kế anten vi dải cải tần số cộng hưởng 5,25 GHz ứng dụng cho mạng wifi cụ thể là hệ thống mạng cục bộ WLAN, cải thiện băng thông cho anten vi dải bằng phương pháp sử dụng cấu trúc DGS kết hợp tăng độ dày chất nền. Băng thông được cải thiện đáng kể sau khi áp dụng phương pháp cải thiện băng thông. Cấu trúc thiết kế Thiết kế anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, tần số cộng hưởng tại 5,25 GHz cấp nguồn vi dải, phân cực tuyến tính, áp dụng cấu trúc DGS để cải thiện băng thông của anten. Các thông số đầu vào được thể hiện trong bảng sau: Bảng 2 Các thông số đầu vào của anten vi dải Tần số hoạt động 5,25 GHz Hằng số điện môi lớp nền 4,4 (FR4) Độ dày lớp điện môi 1,6 mm Phương thức cấp nguồn Đường truyền vi dải Phối hợp trở kháng Inset feed line Phân cực Tuyến tính Tính toán thiết kế Từ các thông số trên ta sử dụng các công thức đã trình bày ở chương 2 và công cụ Matlab để tính toán các thông số khác của anten, các thông số (tính theo mm) sau khi được tính toán và làm tròn được thể hiện trong bảng sau, chọn bề dày mặt phẳng đất và patch là 0,035mm. Bảng 3 Các thông số thiết kế anten vi dải Chiều rộng patch (Wp) 17,39 mm Chiều dài patch (Lp) 13,07 mm Chiều rộng mặt phẳng đất (Wg) 26,99 mm Chiều dài mặt phẳng đất (Lg) 22,67 mm Độ rộng đường tiếp điện (Wf) 2,98 mm Khoảng cách điểm tiếp điện ăn sâu vào patch (y0) 4,88 mm Khoảng cách đường tiếp điện với patch (Gpf) 0,096 mm Mô phỏng anten vi dải đơn bằng CST Sử dụng phần mềm CST mô phỏng anten vừa tính toán được, mặt trước anten được thể hiện như hình bên dưới. Hình 3. 2 Hình dạng anten vi dải hình chữ nhật tiếp điện bằng đường vi dải cắt sâu Hình bên dưới mô tả hình dạng của anten cơ bản khi chưa áp dụng cải thiện băng thông bằng tăng độ dày chất nền kết hợp cấu trúc DGS: Hình 3. 3 Cấu trúc 3D anten vi dải ban đầu Tăng băng thông cho anten vi dải ta sử dụng đồng thời phương pháp tăng độ dày chất nền và cấu trúc DGS, độ cao chất nên tăng lên độ cao h=2,6 mm, khi đó để phối hợp trở kháng 50 Ohm thì độ rộng đường feed sẽ bằng wf=5,15 mm, cấu trúc DGS có dạng hình chữ H với kích thước được cho như bảng sau: Bảng 4: Thông số kích thước của cấu trúc DGS A1 (mm) A2 (mm) A3 (mm) A4 (mm) Ad (mm) 6 1,15 2,48 1,5 3,4 Hình dạng 3D của anten khi kết hợp cấu trúc DGS hình chữ H với cấu trúc DGS cho như hình: Hình 3. 4 Anten vi dải sau khi kết hợp cấu trúc DGS dạng 3D và mặt sau anten Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng tần số cộng hưởng có sự chênh lệch so với tính toán lý thuyết do phương pháp tính toán lý thuyết bỏ qua các suy hao trên đường truyền. Hình 3. 5 Tần số cộng hưởng tính theo lý thuyết bị lệch Tinh chỉnh lại các thông số để có được tần số cộng hưởng 5,25 GHz; với các thông số được đặt lại là: Wp = 17,36 mm; Lp = 13,06 mm; y0 = 4,78 mm, Wf = 3,08 mm, Gpf = 0,9 mm. S11 Hình 3. 6 Thông số S11 của anten vi dải với f= 5,25 GHz Tại tần só 5.25 GHz, hệ số phản xạ S11 đạt giá trị -14,748 dB, việc phối hợp trở kháng của anten là khá tốt ở tần số đó. Băng thông cuả anten ten tần số cộng hưởng 5,25 GHz tại S11 = -10 dB là: 5,3074-5,1869 = 0,1205(GHz) = 120,5 (MHz). Hình 3. 7 Bức xạ 3D và 2D của anten ban đầu Theo giản đồ 3D: Hiệu suất bức xạ (dB): -1,651 Hiệu suất bức xạ tổng (dB): -1,870 Độ lợi (dB): 4,356 Theo giản đồ cực: Cường độ búp sóng chính (dBi): 5,98 Hướng búp chính: 10° HPBW: 96,7° Hình 3. 8 Tham số VSWR của anten vi dải Tỉ số sóng đứng VSWR đạt giá trị thấp nhất 1,447 tại tần số 5,25 GHz cho thấy tỉ số VSWR là chấp nhận được và phối hợp trở kháng tại tần số này là tốt nhất. Anten sau khi kết hợp cấu trúc DGS và nâng độ dày chất nền thu được các kết quả sau: : h=2,2 mm : h=2,6 mm Hình 3. 9 Anten với độ dày chất nền thay đổi h=2,2 mm và h=2,6mm Có thể thấy anten được nâng độ dày chất nền cho hiệu quả băng thông và tham số S11 tốt hơn nhưng giá trị tần số cộng hưởng lại giảm khá nhiều ảnh hưởng đến hoạt động của anten, đồ án khảo sát anten với độ dày chất nền không đổi và cấu trúc DGS thay đổi: Hình 3. 10 Anten với DGS ở dưới giữ nguyên độ dày h Hình 3. 11 Anten với DGS ở bên trái patch và giữ nguyên độ dày h Có thể thấy rằng việc sử dụng cấu trúc DGS giúp cải thiện băng thông và tần số cộng hưởng của anten không có sự chênh lệch nhiều, đó đó đồ án kết hợp phương pháp tăng độ dày chất nền và sử dụng cấu trúc DGS để đạt được băng thông hiệu quả hơn. Kết quả mô phỏng của anten vi dải sau khi cải thiện băng thông sử dụng tăng độ dày chất nền kết hợp cấu trúc DGS được thể hiện như sau: Hình 3. 12 Tham số S11 của anten vi dải sau cải thiện băng thông Tại tần số 5,2009 GHz, hệ số phản xạ S11 đạt giá trị -44,743 dB, việc phối hợp trở kháng của anten là khá tốt ở tần số đó. Băng thông cuả anten ten tần số cộng hưởng 5.2009 GHz tại S11 = -10 db là: 5,3104-5,093 = 0,2174 (GHz) = 217,4(MHz). Hình 3. 13 Đồ thị bức xạ và hiệu suất của anten vi dải dạng 3D và trong mặt phẳng E sau khi cải thiện băng thông Theo giản đồ 3D: Hiệu suất bức xạ (dB): -2,685 Hiệu suất bức xạ tổng (dB): -2,828 Độ lợi (dB): 3,272 Theo giản đồ cực: Cường độ búp sóng chính (dBi): 5,95 Hướng búp chính: 14° HPBW: 91° Hình 3. 14 Tham số VSWR của anten vi dải sau khi cải thiện băng thông Tỉ số sóng đứng VSWR đạt giá trị thấp nhất 1,020 tại tần số 5,25 GHz cho thấy tỉ số VSWR là chấp nhận được và phối hợp trở kháng tại tần số này là tốt nhất. Đánh giá Từ các kết quả trên đồ án đã tổng kết lại bảng đánh giá các thông số của anten vi dải ban đầu và anten sau khi được cải thiện băng thông như sau: Bảng 5 So sánh các thông số của anten vi dải ban đầu và anten cải thiện băng thông Các thông số Anten ban đầu Anten sau khi cải thiện Băng thông -10dB (MHz) 120,5 217,4 S11 (dB) -14,748 -44,743 VSWR 1,447 1,020 Độ định hướng (dBi) 5,98 5,95 Độ lợi (dB) 4,356 3,272 Các thông số ta có thể thấy được cải thiện đáng kể, đặc biệt là băng thông, cải thiện gấp 1,804 lần. Khoảng mở băng thông từ 5,1869 - 5,3074GHz đến 5,093 -5,3104 GHz. Kết luận chương Trong chương này, đã tính toán các thông số kích thước anten, mô phỏng một anten vi dải hoạt động ở dải tần 5,25 GHz bằng phần mềm CST. Các kết quả phù hợp với lý thuyết, việc sử dụng phương pháp kết hợp DGS trên mặt phẳng đất và tăng độ dày chất đem lại hiệu quả tốt, băng thông được cải thiện đáng kể, đạt được yêu cầu đặt ra. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án với sự giúp đỡ tận tình của cô giáo Hoàng Thị Phương Thảo, đồ án được hoàn thành đúng thời gian quy định và đã tìm hiểu tổng quan về anten vi dải đặc biệt là anten vi dải chữ nhật được sử dụng để thiết kế, khảo sát được ưu nhược điểm của anten vi dải và các phương pháp mở rộng băng thông của anten vi dải, đưa ra phương pháp thiết kế anten vi dải. Đồng thời đồ án này đã thực hiện việc thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật kết hợp cấu trúc DGS bằng phần mềm CST, đưa ra kết quả mô phỏng của anten hoạt động ở tần số cộng hưởng 5,25 GHz, so sánh đánh giá hiệu quả trước và sau khi kết hợp cấu trúc DGS. Tuy nhiên, do sự hạn chế về mặt thời gian nên đề tài còn một số điểm yếu cần được khắc phục. Băng thông vẫn còn hạn chế, độ lợi chưa cao. Để anten có thể ứng dụng vào thực tế cần có nhiều nghiên cứu, cải thiện sâu hơn về kích thước, độ lợi và các ứng dụng cụ thể. Hướng phát triển của đề tài Để hoàn thiện những hạn chế trên, hướng phát triển của đề tài tập trung vào việc nghiên cứu: Kết hợp cấu trúc DGS với từng thành phần của anten Sử dụng cấu trúc DGS để mở rộng thêm tần số hoạt động của anten Kết hợp thiết kế anten mảng với cấu trúc DGS DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] GS.TSKH. Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007. Tiếng Anh [2] Constantine A.Balanis, Antenna Theory – Analysis and Design, John Willey & Son, INC, Second Editon. [3] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microtrip Antenna Design Handbook, Artech House. [4] Y.T.Lo, S.W.Lee, Antenna Handbook, Spinger Science & Business Media. [5] Thomas A.Milligan, Modern antenna design, John Willey & Son, INC, Second Editon. [6] Das Lipsa, Abhishek Sahoo, Diptimayee Konhar, (2013), A planar monopole antenna with DGS for bandwidth enhancement and U-slot for band-notch characteristics, 2013 IEEE Conference on Information and Communication Tecnologies ICT 2013, no. Ict, pp.977-980. [7] D. Guha, S.Biswas, and Y. M. M Antar, Defected ground structure for Microstrip Antennas in Microstrip and Printed Antennas: New Trends, Techniques and Applications, John Wiley & Sons, London, UK, 2011. [8] Khandelwal Mukesh Kumar, Binod Kumar Kanaujia, and Sachin Kumar, (2017), Defected Ground Structure: Fundamentals, Analysis, and Applicaitons in Modem Wireless Trends, International Uoumal of Antennas and Propagation. [9] Shilpi Praya, Dharmendra Upadhyay, and Harish Parthasarathy, 2016, Design of dualband antenna with improved gain and bandwidth using defected ground structure, 3rd Internationnal Conference on Signal Processing and Integrated Networds, SPIN 2016. Các trang web: www.cst.com, www.antenna-theory.com, Matlab online: www.mathworks.com/products/matlab-online.html www.emtalk.com/tutorials.htm