BÀI TẬP LỚN MÔN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thông ====o0o==== BÀI TẬP LỚN MÔN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Đề tài THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI Giáo viên hướng dẫn PGS TS Đào Ngọc Chiến Sinh viên thực hiện Nguyễn Thành Trung Nguyễn Đình An Đinh Tiến Hiệp Lớp Kỹ thuật truyền thông 1 Khóa 2011B Hà Nội, 52022 MỤC LỤC I MỤC ĐÍCH 2 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 III TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN 4 IV HƯỚNG DẪN S.

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thơng ====o0o==== BÀI TẬP LỚN MƠN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Đề tài: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Đào Ngọc Chiến Sinh viên thực : Nguyễn Thành Trung Nguyễn Đình An Đinh Tiến Hiệp Lớp : Kỹ thuật truyền thơng Khóa : 2011B Hà Nội, 5/2022 MỤC LỤC THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI I MỤC ĐÍCH Giúp cho sinh viên hiểu vai trị,vị trí anten hệ thống truyền thơng vô tuyến Sinh viên tiến hành mô khảo sát thông số kỹ thuật anten phần mềm mơ HFSS, tính tốn thiết kế chế tạo anten vi dải hoạt động dải tần yêu cầu, sử dụng máy phân tích mạng (network analyzer) để đo đạc khảo sát thông số kỹ thuật số anten mẫu II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Anten thiết bị quan trọng thiếu hệ thống truyền thơng khơng dây Nó thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền khơng gian tự ngược lại Anten đường dây dẫn (feeder) đóng vai trị thiết bị ghép mạch điện tử không gian tự do, feeder phận giao tiếp anten mạch điện tử Ngõ vào feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, antenna phát nhận lượng từ máy phát qua feeder xạ không gian Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu anten phải đáp ứng độ lợi phương hướng xạ Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến người ta sử dụng nhiều loại anten khác nhau, anten parabol với độ lợi tính định hướng cao thường sử dụng truyền hình, thơng tin vi ba, thơng tin vệ tinh cịn đầu cuối thường sử dụng loại anten nhỏ anten Yagi,anten dây, đặc biệt với phát triển mạnh mẽ công nghệ đầu cuối di động anten vi dải ngày sử dụng rộng rãi không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu sử dụng Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước nhỏ có cấu tạo gồm lớp kim loại mặt xạ, lớp kim loại khác gọi mặt đất (màn chắn kim loại ), lớp điện môi hai lớp kim loại phận tiếp điện Anten vi dải có nhiều hình dạng hình trịn,hình tam giác, hình vng, hình chữ nhật đó, loại phổ biến có kết cấu hình chữ nhật có hướng tính, độ lợi cao đồng thời dễ kết hợp với mạch điện tử mạch in Các thông số kỹ thuật anten - Tần số công tác anten tần số cộng hưởng anten Anten làm việc chế độ cộng hưởng cơng suất xạ anten lớn - Hệ số định hướng anten theo hướng cực đại định nghĩa tỷ số cường độ trường xạ vị trí hướng cường độ trường xạ anten chuẩn củng vị trí tương ứng (D) Hệ số tăng ích (Độ lợi) anten (G=e.D), e hiệu suất xạ anten; - Trở kháng vào anten : ZA = RA + jXA Khi kết nối anten với feeder cần ý tới điều kiện phối hợp trở kháng,Thông thường trở kháng đặc tính feeder R0 để phố hợp trở kháng ZA = R0 - Hệ số tổn hao RL (dB) đánh giá mức độ phản xạ sóng điểm kết nối anten với feeder - Hệ số sóng đứng SWR đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng anten feeder Trong đó: W chiều rộng mặt xạ; L chiều dài mặt xạ; h bề dày lớp điện môi; Wg chiều rộng mặt phẳng đất; Lg chiều dài mặt phẳng đất III TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt xạ, mặt phẳng đất lớp điện môi mặt kim loại Kích thước mặt xạ, chiều cao hệ số điện môi thông số định tần số cộng hưởng anten, nên chúng phải lựa chọn tính tốn xác Chọn vật liệu chế tạo anten mạch in hai mặt có hệ số điện mơi độ dày là: εr = 4.5; h = 1.6 mm; Tính tốn kích thước anten vi dải làm việc tần số: Giải tần GSM: f0= 1900 MHz Chiều rộng mặt xạ tính theo cơng thức: Với c = 3x108 m/s ( c vận tốc ánh sáng), f0 tần số cộng hưởng anten, εr hệ số điện môi lớp điện môi Hệ số điện môi hiệu dụng εreff phụ thuộc vào kích thước (W , h) xác định theo cơng thức: Thay số vào ta có εreff ≈ 4.22 Độ dài hiệu dụng anten xác định theo công thức: c fo L eff ≈ reff Thay số vào ta có Leff ≈ 0.038 Độ tăng độ dài ∆L tính theo cơng thức: thay số vào ta có ΔL ≈ 0.76(mm) Độ dài thực mặt xạ tính cơng thức: L = Leff - 2∆L =0.038 - 2x0.76x10-3≈ 0.766 (mm) Kích thước mặt phẳng đất ( Wg Lg ) xác định theo công thức: Wg ≈ 6h + W Wg ≈ 6x1.6 + 48 ≈ 58(mm) Lg ≈ 6h + L Lg≈ 6x1.6 +36 ≈46 (mm) * Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải a Tiếp điện cáp đồng trục (hình 1) Trong phương pháp tiếp điện cho anten vi dải cáp đồng trục lõi cáp hàn tiếp xúc với mặt xạ, vỏ cáp tiếp xúc với mặt phẳng đất Vị trí tiếp điện tốt tính tốn xác định có tọa độ ( L/4, W/2) Phương pháp tiếp điện có ưu điểm dễ thực khơng có xạ phụ b Tiếp điện đường truyền vi dải Trong kỷ thuật tiếp điện này, dải dẫn kết nối trực tiếp đến cạnh mặt xạ anten vi dải Dải dẫn thiết kế bề mặt với mặt xạ Chiều rộng dải dẫn nhỏ nhiều so với kích thước mặt xạ Vị trí tiếp điện có tọa độ (L/2, 0) Kích thước dải dẫn (Wf ; Lf ) xác định sau: Trở kháng đặc tính đường truyền là: Zo = 50Ω Chiều rộng dải dẫn tính theo cơng thức sau : Mối quan hệ chiều dài chiều rộng: Lf /Wf = 3.96 IV HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HFSS HFSS ( Hight Frequency Structure Simulator ) phần mềm mô trường điện từ theo phương pháp tồn sóng (full wave) để mơ hình hóa thiết bị thụ động 3D Ưu điểm bật HFSS có dao diện người dùng đồ họa,tích hợp mơ phỏng, ảo hóa, mơ hình hóa 3D tự động hóa (tự động tìm lời giải) môi trường dễ dàng để học, lời giải cho tốn điện từ 3D thu cách nhanh chóng xác Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method,FEM ), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing ) kỹ thuật đồ họa Ansoft HFSS sử dụng để tính tốn tham số chẳng hạn như: hệ số tổn hao, tần số cộng hưởng,giản đồ hướng tính,trở kháng vào HFSS hệ thống mơ tương tác,trong phần tử mắt lưới tứ diện Điều cho phép bạn tìm lời giải cho vật thể 3D Đặc biệt cấu trúc dạng cong phức tạp Ansoft công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM ) để mô trường điện từ kỹ thuật như: phần tử hữu hạn,chia lưới thích nghi Ansoft HFSS cung cấp giao diện trực giác dễ dàng sử dụng để phát triển thiết bị RF thụ động Tóm tắt q trình mơ phần mềm HSFF Để mơ anten ta thực bước sau: • • Chọn HFSS \ Solution Type \ Driven Terminal Chọn đơn vị: #D Modeler \Units, chọn mm • Dựa vào công cụ công cụ vẽ cấu trúc anten vào giao diện làm việc Tạo port để cấp nguồn • Chọn mặt cấp nguồn, sau vào HFSS \ Excitation \ Assign - Nếu cấp nguồn probe chọn Wave Port - Nếu cấp nguồn đường vi dải chọn Lumped Port Khai báo mặt xạ ( thường khai báo cho mặt phẳng đất ): • Chọn mắt xạ, sau vào HFSS \ Boundaries \ Assign \ Perfect E Tạo không gian xạ cho anten • - Vẽ Box bao trùm anten, thơng thường khoảng cách từ rìa anten đến mặt Box khoảng ¼ bước sóng cộng hưởng cần thiết, sau vào: HFSS \ Boundaries \ Assign \Radiation… - Chọn mặt Box phía mà anten có xạ - Chọn HFSS \ Radiation \ Ínsert Far Field Setup \ Infinite Sphere… - Màn hình lên bảng phía Far Field Radiation Sphere Setup - Nhập thơng số muốn nhận OK • Khai báo tần số cộng hưởng mong muốn, số bước lặp sai số lớn 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 mô - Maximum Delta S Per Pass: sai số chấp nhận được, nhỏ xác Chương trình mơ sẻ chạy sai số tính tốn nhỏ delta S Khi xem mơ xác có hội tụ ( Converged) Nếu chạy hết tất bước lặp mà sai số nhỏ delta S, chương trình củng sẻ tự động dừng lại Khi q trình mô sẻ không hội tụ cho kết khơng xác Muốn khắc phục ta phải tăng giá trị delta S lên tăng số bước lặp lên để nhận kết xác Tuy nhiên sai số tính bước lặp nhỏ Delta S kết nhận không đáng tin Để tránh tượng ta phải giảm Delta S để tăng số bước lặp chương trình Thơng thường chương trình chạy nhiều bước lặp có hội tụ sẻ nhận kết xác • Khai báo vùng tần số khảo sát ( xung quanh tần số trung tâm) Vào HFSS \ Analysis Setup \ Add • Sweep Sau thực tất công đoạn trên, ta vào HFSS \ Validation check để kiểm tra lỗi thiết kế Nếu khơng có lỗi, vào • - HFSS \ Analyze bắt đầu chạy mô Hiển thị kết mô 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 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 + HFSS => Solution type => Chọn Driven Terminal Ở chọn giả toán 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 xạ => box ( xạ) Thông số thiết kế lớp Mặt 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 vng góc tiếp xúc mặt ngồi Feed Line) Thông số thiết kế lớp Nguồn Thiết lập cấp điện: HFSS=>Excitations=>Asign=>Lumped Port (Nếu thấy Feed Line bên mục Conducting Objects có nghĩa có tiếp điểm, nhấn Ok để cấp nguồn) - Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian) + Thông số thiết kế lớp Khơng gian + mặt xạ: Kích chọn mặt bên mặt mặt xạ thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation… + Thiết lập hướng xạ: HFSS=>Radiation=>Insert Far Field Setup=>Infinte=>Ok + Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup ta thiết lập tần số làm việc chọn : 1900 MHZAdd Frequency Sweep… Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , Step Sto + Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p : 10 MHZ Sau ỏ Sweep Type chọn: Fast > chọn Ok Tạo 5.2 Thông số thiết kế Ăng ten cấp nguôn băng cáp đồng trục - Thông số thiết kế lớp Đất (tương tự trên) - Thông số thiết kế lớp Điện môi (tương tự trên) - Thông số thiết kế lớp Mặt xạ (tương tự trên) - Thông số tiếp điện - Thông số tiếp điện - Thông số thiết kế lớp Cấp nguồn : - Thơng số vịng ngồi - Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian) + Thông số thiết kế lớp Không gian + mặt xạ: Kích chọn mặt bên mặt mặt xạ thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation… - Thiết lập thông số : + Thiết lập hướng xạ: HFSS=>Radiation=>Insert Far Field Setup=>Infinte=>Ok + Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup ta thiết lập tần số làm việc chọn : 1900 MHZAdd Frequency Sweep… Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , Step Sto + Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p : 10 MHZ Sau ỏ Sweep Type chọn: Fast > chọn Ok Tạo VI Kết mô 6.1 Kết mô thiết kế ăng ten vi dải tần số 900 Hình mơ 3D Tần số cộng hưởng: Đồ thị smith: Độ lợi: Đánh giá q trình kết mơ phỏng: - Độ suy hao không lớn - Kết mô đạt kết gần sát với tần số 900 - Hình dạng đồ thị đạt với yêu cầu đề - Qua nhiều lần chỉnh cho thấy: với tần số cao 900 kết khó xác,cần tính tốn tỉ mỉ, chỉnh sửa hợp lý đạt kết tốt 6.2 Kết mô thiết kế ăng ten cấp nguồn cáp đồng trục tần số 1900Ghz Hình mơ 3D Tần số cộng hưởng: Đồ thị smith Đồ thị 3D Polar Plot Đánh giá kết mô thiết kế ăng ten cấp nguồn cáp đồng trục: - Tính tốn tọa độ phức tạp sửa so với thiết kế ăng ten vi dải - Cho hình dạng mơ đạt chuẩn chỉnh - Tần số đạt sát với tần số 1900khz - Trên kết ta thấy độ suy hao lớn VIII SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN Hệ số tổn hao =-13.437dB box ( điện môi) Thông số thiết kế lớp Điện môi - Thiết kế mặt xạ => box ( xạ) Thông số thiết kế lớp Mặt xạ - Thiết kế lớp line => box ( line) Thông số thiết kế. .. Thông số thiết kế lớp Điện môi (tương tự trên) - Thông số thiết kế lớp Mặt xạ (tương tự trên) - Thông số tiếp điện - Thông số tiếp điện - Thông số thiết kế lớp Cấp nguồn : - Thơng số vịng ngồi - Thiết. .. so với thiết kế ăng ten vi dải - Cho hình dạng mơ đạt chuẩn chỉnh - Tần số đạt sát với tần số 1900khz - Trên kết ta thấy độ suy hao lớn VIII SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN Hệ số tổn