Thiết kế, mô phỏng và khảo sát các thông số kỹ thuật của anten vi dải

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNGVÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI I.MỤC ĐÍCH Giúp cho sinh viên hiểu được vai trò,vị trí của anten trong các hệ thống truyền thông vô tuyến. Sinh viên được tiến hành mô phỏng khảo sát các thông số kỹ thuật của anten bằng phần mềm mô phỏng HFSS, tính toán thiết kế và chế tạo anten vi dải hoạt động ở dải tần yêu cầu, sử dụng máy phân tích mạng (network analyzer) để đo đạc khảo sát các thông số kỹ thuật của một số anten mẫu. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thông không dây. Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại. Anten và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạch điện tử và không gian tự do, feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử. Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian. Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng về độ lợi và phương hướng bức xạ. Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh... còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như anten Yagi,anten dây,... và đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng. Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước rất nhỏ có cấu tạo gồm một lớp kim loại là mặt bức xạ, một lớp kim loại khác gọi là mặt đất (màn chắn kim loại ), một lớp điện môi giữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp điện. Anten vi dải có nhiều hình dạng như hình tròn,hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật... trong đó, loại phổ biến nhất có kết cấu hình chữ nhật vì có hướng tính, độ lợi cao đồng thời dễ kết hợp với các mạch điện tử trên cùng một mạch in. Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten. Anten luôn làm việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớn nhất. Hệ số định hướng của anten theo hướng cực đại được định nghĩa bằng tỷ số cường độ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độ trường bức xạ của một anten chuẩn củng ở vị trí tương ứng (D). Hệ số tăng ích (Độ lợi) của anten (G=e.D), trong đó e là hiệu suất bức xạ của anten; Trở kháng vào của anten : ZA = RA + jXA Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng,Thông thường trở kháng đặc tính của feeder là R0 để phố hợp trở kháng thì ZA = R0 Hệ số tổn hao RL (dB) đánh giá mức độ phản xạ của sóng tại điểm kết nối anten với feeder Hệ số sóng đứng SWR đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng giữa anten và feeder. Trong đó: W là chiều rộng mặt bức xạ; L là chiều dài mặt bức xạ; h là bề dày của lớp điện môi; Wg là chiều rộng của mặt phẳng đất; Lg là chiều dài của mặt phẳng đất. III. TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt bức xạ, mặt phẳng đất và lớp điện môi ở giữa 2 mặt kim loại trên. Kích thước của mặt bức xạ, chiều cao và hệ số điện môi là những thông số quyết định tần số cộng hưởng của anten, nên chúng phải được lựa chọn và tính toán chính xác. Chọn vật liệu chế tạo anten là tấm mạch in hai mặt có hệ số điện môi và độ dày là: εr = 4.5; h = 1.6 mm; Tính toán kích thước của anten vi dải làm việc ở tần số: Giải tần GSM: f0= 1900 MHz Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công thức: W = ≈ 48 (mm) c = 3x108 m/s Với c = 3x108 m/s ( c là vận tốc ánh sáng), f0 là tần số cộng hưởng của anten, εr là hệ số điện môi của lớp điện môi. Hệ số điện môi hiệu dụng εreff phụ thuộc cả vào các kích thước (W , h) và nó được xác định theo công thức: εreff = + Thay số vào ta có εreff ≈ 4.22 Độ dài hiệu dụng của anten được xác định theo công thức: Leff ≈ Thay số vào ta có Leff ≈ 0.038 Độ tăng độ dài ∆L được tính theo công thức: ∆L = = Thay số vào ta có ΔL ≈ 0.76(mm) Độ dài thực của mặt bức xạ được tính bởi công thức: L = Leff - 2∆L =0.038 - 2x0.76x10-3≈ 0.766 (mm) Kích thước của mặt phẳng đất ( Wg và Lg ) được xác định theo công thức: Wg ≈ 6h + W Wg ≈ 6x1.6 + 48 ≈ 58(mm) Lg ≈ 6h + L Lg≈ 6x1.6 +36 ≈46 (mm) 3.1. Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (hình 1) Trong phương pháp tiếp điện cho anten vi dải bằng cáp đồng trục thì lõi cáp được hàn tiếp xúc với mặt bức xạ, vỏ cáp tiếp xúc với mặt phẳng đất. Vị trí tiếp điện tốt nhất được tính toán và xác định có tọa độ ( L/4, W/2) Phương pháp tiếp điện này có các ưu điểm là dễ thực hiện và không có bức xạ phụ. b. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải Trong kỷ thuật tiếp điện này, một dải dẫn được kết nối trực tiếp đến cạnh của mặt bức xạ anten vi dải. Dải dẫn được thiết kế trên cùng bề mặt với mặt bức xạ. Chiều rộng của dải dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của mặt bức xạ. Vị trí tiếp điện có tọa độ (L/2, 0). Kích thước của dải dẫn (Wf ; Lf ) được xác định như sau: Trở kháng đặc tính của đường truyền là: Zo = 50Ω Chiều rộng của dải dẫn được tính theo công thức sau: Wf = Trong đó: B = = 5.58 Mối quan hệ giữa chiều dài và chiều rộng: Lf /Wf = 3.96 IV. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HFSS HFSS ( Hight Frequency Structure Simulator ) 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 HFSS là có dao diện người dùng đồ họa,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: hệ số tổn hao, tần số cộng hưởng,giản đồ hướng tính,trở kháng vào...HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác,trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt đối với các cấu trúc dạng cong phức tạp. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM ) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn,chia lưới thích nghi... Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển các thiết bị RF thụ động. Tóm tắt quá trình mô phỏng bằng phần mềm HSFF Để mô phỏng một anten bất kì về cơ bản ta thực hiện các bước sau: Chọn HFSS \ Solution Type \ Driven Terminal Chọn đơn vị: #D Modeler \Units, chọn mm Dựa vào các công cụ trên thanh công cụ vẽ cấu trúc của anten vào giao diện làm việc Tạo port để cấp nguồn Chọn mặt cấp nguồn, sau đó vào HFSS \ Excitation \ Assign - Nếu cấp nguồn bằng probe thì chọn Wave Port - Nếu cấp nguồn bằng đường vi dải thì chọn Lumped Port Khai báo các mặt bức xạ ( thường khai báo cho mặt phẳng đất ): Chọn mắt bức xạ, sau đó vào HFSS \ Boundaries \ Assign \ Perfect E Tạo không gian bức xạ cho anten - Vẽ một Box bao trùm cả anten, thông thường khoảng cách từ rìa anten đến mặt Box khoảng ¼ bước sóng cộng hưởng cần thiết, sau đó vào: HFSS \ Boundaries \ Assign \ Radiation… Chọn các mặt của Box ở phía mà anten có bức xạ - Chọn HFSS \ Radiation \ Ínsert Far Field Setup \ Infinite Sphere… - Màn hình hiện lên bảng phía Far Field Radiation Sphere Setup - Nhập các thông số mình muốn và nhận OK Khai báo tần số cộng hưởng mong muốn, số bước lặp và sai số lớn nhất chấp nhận được: HFSS \ Analysis Setup \ Add Solution Setup - Solution Frequency: nhập vào tần số cộng hưởng mong muốn Maximum Number of Passed: số bước lặp tối đa của mô phỏng Maximum Delta S Per Pass: sai số chấp nhận được, càng nhỏ càng chính xác. Chương trình mô phỏng sẻ chạy cho đến khi sai số tính toán nhỏ hơn hoặc bằng delta S. Khi đó xem như mô phỏng chính xác và có hội tụ ( Converged). Nếu chạy hết tất cả các bước lặp mà vẫn không có sai số nào nhỏ hơn delta S, chương trình củng sẻ tự động dừng lại. Khi đó quá trình mô phỏng sẻ không hội tụ và cho kết quả không chính xác. Muốn khắc phục ta phải tăng giá trị delta S lên hoặc là tăng số bước lặp lên để nhận được kết quả chính xác. Tuy nhiên nếu sai số tính ra ngay những bước lặp đầu tiên đã nhỏ hơn Delta S thì kết quả nhận được cũng không đáng tin. Để tránh hiện tượng này ta phải giảm Delta S để tăng số bước lặp của chương trình. Thông thường nếu chương trình chạy nhiều hơn 5 bước lặp và có hội tụ thì sẻ nhận được kết quả chính xác. Khai báo vùng tần số khảo sát ( xung quanh tần số trung tâm) Vào HFSS \ Analysis Setup \ Add Sweep Sau khi thực hiện tất cả công đoạn trên, ta vào HFSS \ Validation check để kiểm tra lỗi thiết kế. Nếu không có lỗi, vào HFSS \ Analyze và bắt đầu chạy mô phỏng. Hiển thị các kết quả mô phỏng vào HFSS \ Results \ … V. CÁC THÔNG SỐ ĐỂ MÔ PHỎNG TẦN SỐ 1900Ghz 5.1. Thiết kế ăng ten vi dải - Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS11 => HFSS11 - Thiết lập thông số: + Tool => Option => HFSS option Tại khung General tích chọn như sau: + Tool => Options => Modeler options Trong khung 3D Modele options mục Operation chọn Automatically cover closed polylines Trong mục Drawing chọn edit properties of new primitives + Moderler => units => Select units: mm + HFSS => Solution type => Chọn Driven Terminal Ở đây chọn giả quyết bài toán ở tần số làm việc f0 = 1900 MHZ - Thiết kế mặt phẳng đất: Draw => box ( đất) + Thông số thiết kế lớp Đất + Thiết lập mặt phẳng đất: Edit => select => face HFSS => Boundaries => Asign => Finite Conductivity … Ok - Thiết kế lớp điện môi: Draw => box ( điện môi) Thông số thiết kế lớp Điện môi - Thiết kế mặt bức xạ => box ( bức xạ) Thông số thiết kế lớp Mặt bức xạ - Thiết kế lớp line => box ( line) Thông số thiết kế lớp Line - Thiết kế điểm cấp nguồn cho đường vi dải Để vẽ nguồn ta vào Draw=>Rectangle (vẽ hình chữ nhật vuông góc và tiếp xúc mặt ngoài Feed Line) Thông số thiết kế lớp Nguồn Thiết lập cấp điện: HFSS=>Excitations=>Asign=>Lumped Port (Nếu thấy Feed Line ở bên mục Conducting Objects có nghĩa đã có tiếp điểm, nhấn Ok để cấp nguồn) - Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian) + Thông số thiết kế lớp Không gian + mặt bức xạ: Kích chọn lần lượt 4 mặt bên và mặt trên của mặt bức xạ rồi thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation… + Thiết lập hướng bức xạ: HFSS=>Radiation=>Insert Far Field Setup=>Infinte=>Ok + Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd Frequency Sweep… Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto + Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ Sau đó ỏ Sweep Type chọn: Fast > chọn Ok Tạo 5.3. Thông số thiết kế Ăng ten cấp nguôn băng cáp đồng trục - Thông số thiết kế lớp Đất (tương tự như trên) - Thông số thiết kế lớp Điện môi (tương tự như trên) - Thông số thiết kế lớp Mặt bức xạ (tương tự như trên) - Thông số tiếp điện trên - Thông số tiếp điện dưới - Thông số vòng ngoài - Thông số thiết kế lớp Cấp nguồn - Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian) + Thông số thiết kế lớp Không gian + mặt bức xạ: Kích chọn lần lượt 4 mặt bên và mặt trên của mặt bức xạ rồi thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation… - Thiết lập các thông số + Thiết lập hướng bức xạ: HFSS=>Radiation=>Insert Far Field Setup=>Infinte=>Ok + Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd Frequency Sweep… Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto + Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ Sau đó ỏ Sweep Type chọn: Fast > chọn Ok Tạo VI . Kết quả mô phỏng 6.1. Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten vi dải tần số 900 Hình mô phỏng 3D Tần số cộng hưởng: Đồ thị smith: Độ lợi: Đánh giá về quá trình và kết quả mô phỏng: - Độ suy hao không lớn - Kết quả mô phỏng đạt được kết quả gần sát với tần số 900 - Hình dạng đồ thị đạt với yêu cầu đề ra - Qua nhiều lần căn chỉnh cho thấy: với tần số khá cao là 900 thì kết quả khó chính xác,cần tính toán tỉ mỉ, chỉnh sửa hợp lý mới có thể đạt kết quả tốt nhất 6.2. Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục tần số 1900Ghz Hình mô phỏng 3D Tần số cộng hưởng: Đồ thị smith: Đồ thị 3D Polar Plot Đánh giá kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục: - Tính toán tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn so với thiết kế ăng ten vi dải - Cho hình dạng mô phỏng đạt chuẩn ít căn chỉnh hơn - Tần số đạt được khá sát với tần số 1900khz - Trên kết quả ta thấy độ suy hao vẫn còn khá lớn VII. KẾT QUẢ SỬ DỤNG MÁY PHÂN TỊCH MANG CHO ANTEN VI DẢI 7.1.Cung cấp nguồn và nhấn nút khởi động cho máy phân tích mạng E5061A 7.2. Kết nối phụ kiện cao tần chuẩn MSA Port 1 của máy phân tích mạng E5061 A – Agilent E5061 RF Network Analyzer 7.3. Hệ số phản xạ ( S11): Hệ số suy hao ở điểm phản xạ S11 = -13.437dB Tần số cộng hưởng ở điểm phạn xạ f=970.30464MHz 7.4. Đồ thị Smith Chart đuợc hiển thị: Trở kháng đo đuợc trên đồ thị là =47.41Ω 7.5. Hệ số sóng đứng SWR: Tại điểm S11 xác định ở tần f= 969.31MHz Hệ số sóng đứng =1.52 7.6. Băng thông: Ta xác định đuợc 2 điểm S11 và S12 trên đồ thị với hệ sô =9.5dB trên đồ thị ở đây ta có tần số f1,f2 tuơng ứng là: f1=980.352MHz f2=961.589MHz Băng thông đuợc tính = f1-f2=980.352-961.589 = 18.763MHz 7.7. Độ lợi: Để tính độ lợi ta dựa vào công thức: Gain=1/2 (Pr(dB)-Pt(dB)+20 log(d)+20log(f)-27.56) Trong đó Pr,Pt là hệ số dB hiển thị trên máy: pr=-14dB Pt=-22dB d là khaỏng cách giửa 2 anten: d=15cm f la tần số dao động của anten: f=900MHz Như vậy: Gain =1/2 ( -14-(-22))+20 log(15)+20log(950)-27.56)=23.775 VIII. SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN Hệ số tổn hao =-13.437dB <-9.5dB (thỏa mản yêu cầu) Hệ số sóng đứng SWR = 1.52 € (1- 2) Trở kháng vào của anten =47.41Ω <50Ω Tần số cộng hưởng = 20.307MHz € (2%-10%) F Độ lợi của anten =23.775 > 3 dB So sánh kết quả giữa thực tế và mô phỏng bằng HFSS em thấy có lệch nhưng ở mức chấp nhận được. Điều này xảy ra có thể do trong quá trình tinh toán lấy số liệu làm tròn và ảnh hưởng của đường Line, đường cấp điện ở mô phỏng HFSS là lớn, trong khi yếu tố đường Line và cấp điện không làm thay đổi kết quả như khảo sát thực tế. Do có sự ảnh hưởng của thiết bị như để lâu ngày, thiết kế tay nên có thể chưa thật chính xác, núm vặn giữa antenvà máy không chặt…Nên ta thấy kết quả chưa thật chính xác với tần số khảo sát nhưng sự cách biệt không lớn nên ta có thể dùng phương pháp này để chế tạo ăng ten. Từ đó qua bài thực hành này em đã biết cách về tính toán,thiết kế kích thước và sử sụng phần mềm HFSS để thiết kế anten vi dải và anten đồng trục hoạt động ở các tần số khác nhau. Có điều kiện tham gia khảo sát mạch thật và đối chiếu nó với lý thuyết đã được học và mô phỏng. IX. Kết luận: Qua một thời gian dù rất ngắn ngủi, nhưng được sự hướng dẫn nhiệt tình của Ths. Lê Thị Kiều Nga và Ths. Nguyễn Thị Minh đã giúp em hiểu thêm về Anten, các thông số kỹ thuật, cách chế tạo và sử dụng phần mềm mô phỏng để thiết kế Anten. Trên đây là bài báo cáo của em, mặc dù còn nhiều thiếu sót nhưng cũng là sự nỗ lực của bản thân. Rất mong được sự quan tâm và góp ý của cô giáo. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn