BÁO cáo ANTEN và TRUYỀN SÓNG CPW fed planar printed monopole antenna with impedance bandwidth enhanced

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG BÁO CÁO ANTEN VÀ TRUYỀN SĨNG CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna With Impedance Bandwidth Enhanced GVHD: Phan Xuân Vũ Họ tên sinh viên: Mai Thị Quỳnh Anh MSSV: 20192685 Mã lớp lý thuyết: 128203 Lớp: CTTN – Điện tử truyền thông Hà Nội, tháng năm 2022 LỜI MỞ ĐẦU Anten thiết bị quan trọng hệ thống truyền thơng vơ tuyến, có khả xạ thu nhận sóng điện từ ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống Hiện nay, anten có băng tần siêu rộng quan tâm Trong số đó, Anten đơn cực (monopole antenna) sử dụng rộng rãi hệ thống truyền thơng băng siêu rộng (ultrawideband – UWB) cấu trúc đơn giản, chi phí thấp xạ đa hướng Và báo cáo môn Anten truyền sóng, em xin phép giới thiệu CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna - Anten đơn cực hình chữ nhật cấp nguồn CPW với thiết kế đơn giản, băng tần rộng đề xuất báo “CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna With Impedance Bandwidth Enhanced” với mục đích ứng dụng thiết bị di động MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .2 I Chỉ tiêu kỹ thuật Anten 1.1 Coplanar Waveguide (CPW) 1.2 CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật: II Chi tiết thiết kế 2.1 Thông số anten 2.2 Tiếp điện 2.3 Giới hạn mô III Kết mô 3.1 Thông số mô 3.2 Đồ thị S11 13.35 GHz hệ số tăng ích (Gain) 3.3 Co-Polarization and Cross-Polarization anten 10 3.4 Dòng điện bề mặt anten 2.3 – 10 – 15 GHz (Surface antenna) .14 IV Tối ưu tham số .15 V Kết luận 17 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) Hình CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna Hình Chi tiết thông số anten .5 Hình Hai mặt phẳng đất CPW Hình Tiếp điện waveport Hình Giới hạn mô anten Hình Bảng tham số anten mô Hình Đồ thị S11 13.35 GHz Hình Đồ thị S11 anten đề xuất Hình 10 Đồ thị Gain 13.35 GHz .9 Hình 11 Đồ thị Gain 12.7 GHz .10 Hình 12 Đồ thị Gain 24.1 GHz .10 Hình 13 Co-pol Cross-pol 2.3 - 10 - 15 GHz 12 Hình 14.Co-pol Cross-pol 2.3 - 10 - 15 GHz anten đề xuất 13 Hình 15 Phân bố dịng điện anten mơ 14 Hình 16 Phân bố dòng điện anten đề xuất 14 Hình 17 Đồ thị S11 tối ưu 15 Hình 18 S11 với b tăng 0.1mm 16 Hình 19 Đồ thi 3D Gain tần số 13.35 - 12.7 - 24 GHz 16 Hình 20 S11 với b giảm 0.69mm .17 Hình 21 Đồ thi 3D Gain tần số 13.35 - 12.8 – 24.2 GHz .17 I Chỉ tiêu kỹ thuật Anten 1.1 Coplanar Waveguide (CPW) Hình Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) Ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) đường truyền phẳng sử dụng rộng rãi cho thiết kế vi mạch tích hợp vi sóng phù hợp cho anten có băng thơng rộng Coplanar Waveguide bao gồm dải dây dẫn trung tâm hai mặt phẳng mặt đất nằm hai bên phân tách khoảng cách hẹp s Tất nằm mặt phẳng 1.2 CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna Hình CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna Anten đề xuất báo anten đơn cực hình chữ nhật cấp nguồn CPW có thiết kế đơn giản, băng thơng rộng Cấu tạo anten bao gồm: Một vá hình chữ nhật khoét rãnh hình chữ M dưới, ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) có hai mặt phẳng đất phần thuôn nhọn mài khỏi rãnh phần rãnh hình chữ T 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật: Tại S11 < -10dB: Băng thông: 2.4 – 24.3 GHz FBW (fractional bandwidth) = 164% Với FBW = f 2−f fc Trong : f 1: tần số hoạt động thấp f :tần số hoạt động cao f c= f 2+f Hế số tăng ích (Gain): 0.7 – 4.4 dBi II Chi tiết thiết kế 2.1 Thông số anten Hình Chi tiết thơng số anten Kích thước anten: (Đơn vị: mm) w 0=30 , w=23 , w c =2.8 ,l =41 ,l=26.6 , l1 =6.0 ,l =1.0 , gc =0.2, d 1=0.45 , d 2=2.5 , d 3=1.9 , b=6.3 , a=12.9 ,θ=18.1° Vật liệu nền: FR4 (ε r=4.4),h=0.5 mm Hình Hai mặt phẳng đất CPW CPW thuôn nhọn mài khỏi rãnh vẽ theo phương trình: y = ⅇ−265 ( z +0.005) +2.5 (mm) 2.2 Tiếp điện Anten tiếp điện waveport liên kết hai GND dải dẫn trung tâm anten với trở kháng 50Ω Hình Tiếp điện waveport 2.3 Giới hạn mô εe = ff 1+ ε r =2.7 Tần số trung tâm: 13.35 GHz c Bước sóng: λ= f ε ≈ 13.676mm √ eff Kích thước giới hạn mơ phỏng: Hình Giới hạn mô anten 2λ Trục Ox: dx = + h (mm) 2λ Trục Oy: dy = + w0 (mm) λ Trục Oz: dz = +¿ l0 (mm) III Kết mô 3.1 Thông số mô Hình Bảng tham số anten mô Solution frequency: 13.35 GHz Frequency sweep: – 30 GHz 3.2 Đồ thị S11 13.35 GHz hệ số tăng ích (Gain) 3.2.1 S11 Name X m 0.00 3.9000 S11 Y -9.6373 m2 4.0000 -13.0079 m3 27.3000 -10.0612 m4 24.1000 -22.6303 HFSSDesign2 ANSOFT Curve Inf o dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep m-5.00 12.7000 -24.8695 m1 m3 -10.00 m2 -15.00 dB(S(1,1)) -20.00 m4 m5 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 Freq [GHz] 18.00 20.00 Hình Đồ thị S11 13.35 GHz 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 Tại f = 12.7 GHz, S11 = -24.87 dB f = 24.1 GHz, S11 = -22.63 dB Hình Đồ thị S11 anten đề xuất Anten mô Anten đề xuất Băng thông (GHz) 3.9 – 27.3 2.4 – 24.3 FBW (%) 150 164 Nhận xét: Băng thông anten mô với S11 < -10 dB rộng hơn, FBW thấp anten đề xuất Trong báo hai tần số anten hoạt động tốt f1 = 11 GHz f2 = 20.5 GHz khác với anten mơ 3.2.2 Hệ số tăng ích (Gain) Tần số 13.35 GHz Hình 10 Đồ thị Gain 13.35 GHz Tại tần số khảo sát f = 13.35 GHz, hệ số tăng ích hướng xạ lớn 1.7 dB Nhận xét: hệ số tăng ích nằm dải gain anten đề xuất Tần số 12.7 GHz Hình 11 Đồ thị Gain 12.7 GHz Tại tần số khảo sát f = 12.7 GHz, hệ số tăng ích hướng xạ lớn 1.34 dB  Tần số 24.1 GHz Hình 12 Đồ thị Gain 24.1 GHz Tại tần số khảo sát f = 24.7 GHz, hệ số tăng ích hướng xạ lớn 6.7 dB Nhận xét: Hệ số tăng tích anten mô f = 24.7 GHz lớn hệ số tăng ích lớn anten đề xuất 3.3 Co-Polarization and Cross-Polarization anten 3.3.1 Khái niệm Co-Polarization (Đồng phân cực) hai lưỡng cực anten định hướng theo hướng Cross – Polarzation (Phân cực chéo) phân cực trực giao với phân cực mong muốn Đồ thị Co-Polarization, Cross- Polarizaation vẽ hai mặt phẳng Azimuth pattern Elevation pattern Thuật ngữ “azimuth” (góc phương vị) thường dùng để "đường chân trời" "phương ngang" trong thuật ngữ “elevation” (độ cao) thường đề cập đến "phương thẳng đứng" Ở đây, Azimuth pattern mặt phẳng xOy (θ=900 ) – mặt phẳng cắt ngang Elevation pattern mặt phẳng yOz (φ=900 ) – mặt phẳng cắt thẳng đứng đồ thị tham số dạng 3D anten 3.3.2 Kết mô Tần số khảo sát (theo báo): 2.3 GHz, 10 GHz, 15 GHz Co-Polarization Cross- Polarizaation Azimuth Pattern 2.3GHz -30 HFSSDesign1 Curve Inf o Elevation Rattern 2.3GHz dB(GainPhi) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.3GHz' lamda='13.676mm' Theta='90deg' 30 -12.00 dB(GainTheta) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.3GHz' lamda='13.676mm' Theta='90deg' -30 30 -12.00 dB(GainTheta) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.3GHz' Phi='90deg' -24.00 60 -60 60 -36.00 -36.00 -48.00 -48.00 -90 90 -120 120 150 -180 HFSSDesign1 dB(GainPhi) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.3GHz' Phi='90deg' -24.00 -60 -150 Curve Inf o ANSOFT -90 90 -120 120 -150 150 -180 ANSOFT Elevation pattern 10GHz Azimuth Pattern 10GHz HFSSDesign1 Curve Info dB(GainPhi) Setup2 : LastAdaptive Freq='10GHz' Theta='90deg' -30 ANSOFT -30 dB(GainTheta) Setup2 : LastAdaptive Freq='10GHz' Theta='90deg' 30 -10.00 Curve Info HFSS dB(GainPhi) Setup2 : LastAdaptive Freq='10GHz' Phi='90deg' 30 dB(GainTheta) Setup2 : LastAdaptive Freq='10GHz' Phi='90deg' -10.00 -20.00 -20.00 -60 -60 60 60 -30.00 -30.00 -40.00 -40.00 -90 -90 90 -120 -120 120 -150 90 120 -150 150 -180 Azimuth Pattern 15GHz Curve Info HFSSDesign1 Elevation Pattern 15GHz dB(GainPhi) Setup3 : LastAdaptive Freq='15GHz' Theta='90deg' -30 30 -6.00 dB(GainTheta) Setup3 : LastAdaptive Freq='15GHz' Theta='90deg' -30 -12.00 HFSS Curve Info dB(GainPhi) Setup3 : LastAdaptive Freq='15GHz' Phi='90deg' 30 dB(GainTheta) Setup3 : LastAdaptive Freq='15GHz' Phi='90deg' -14.00 60 -60 60 -18.00 -21.00 -24.00 -28.00 -90 90 -120 120 150 -180 ANSOFT -7.00 -60 -150 150 -180 -90 90 -120 120 -150 150 -180 Hình 13 Co-pol Cross-pol 2.3 - 10 - 15 GHz Hình 14.Co-pol Cross-pol 2.3 - 10 - 15 GHz anten đề xuất Nhận xét: Hình dạng đồ thị anten mô tương đối giống với đồ thị anten đề xuất Khi tần số tăng, đặc tính xạ tăng đồng thời phân cực chéo (crosspol) tăng theo giống với anten đề xuất 3.4 Dòng điện bề mặt anten 2.3 – 10 – 15 GHz (Surface antenna) Hình 15 Phân bố dịng điện anten mơ Hình 16 Phân bố dòng điện anten đề xuất Nhận xét: Dòng điện bề mặt anten 2.3 GHz (a), 10 GHz (b) 15 GHz (c) mơ có phân phối gần giống báo IV Tối ưu tham số XY Plot 0.00 HFSSDesign2 ANSOFT -5.00 m5 m1 m6 m4 -10.00 -15.00 m8 dB(S(1,1)) -20.00 m3 m7 -25.00 -30.00 Name m2 -35.00 -40.00 -45.00 X Y m1 4.6000 -9.9156 m2 12.7000 -36.2990 m3 23.7000 -23.5676 m4 27.8000 -9.9413 m5 4.0000 -10.1273 m6 27.2000 m7 12.6000 -25.9375 m8 24.3000 -20.7242 -9.9111 -47.51 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 Freq [GHz] 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 31.54 Hình 17 Đồ thị S11 tối ưu Sau nhiều lần tối ưu tham số anten mô với mục đích giảm giá trị S11, em thấy Tăng b thêm 0.1mm (đường màu đen): Băng thông (GHz) – 27.2 FBW (%) 148.7 Name X XY Plot Y m 0.00 27.5000 -9.8448 m3 12.7000 -24.8520 m4 24.0000 -21.3153 m5 3.9000 -5.00 HFSSDesign2 dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -9.8269 m5 m2 -10.00 -15.00 m4 dB(S(1,1)) -20.00 m3 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 2.00 ANSOFT Curve Inf o 4.50 7.00 9.50 12.00 14.50 Freq [GHz] 17.00 19.50 22.00 Hình 18 S11 với b tăng 0.1mm FBW = 150.3% Hình 19 Đồ thi 3D Gain tần số 13.35 - 12.7 - 24 GHz Giảm b 0.69 mm (đường màu đỏ): Băng thông (GHz) FBW (%) 4.6 – 27.8 143.2 24.50 27.00 29.50 Name X XY Plot Y m 0.00 12.8000 -39.4275 m4 28.2000 -9.8527 m5 24.2000 -25.7641 m6 5.0000 -5.00 HFSSDesign2 ANSOFT Curve Inf o dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -9.8457 m6 m4 -10.00 -15.00 dB(S(1,1)) -20.00 m5 -25.00 -30.00 -35.00 m1 -40.00 -45.00 2.00 4.50 7.00 9.50 12.00 14.50 Freq [GHz] 17.00 19.50 22.00 24.50 27.00 29.50 Hình 20 S11 với b giảm 0.69mm FBW = 139.8% Hình 21 Đồ thi 3D Gain tần số 13.35 - 12.8 – 24.2 GHz Nhận xét: Sau tối ưu S11 tần số hoạt động tốt anten mô giảm so với anten mô ban đầu nhiên FBW giảm chưa đạt tiêu kỹ thuật anten đề xuất báo V Kết luận Anten mơ có băng thơng 3.9 – 27.3 GHz FBW = 150% chưa đạt tiêu kỹ thuật anten báo thấy anten đơn cực hình chữ nhật in phẳng có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ tốt đặc tính băng rộng Thơng qua q trình làm báo cáo mô anten, em hiểu học thêm nhiều kiến thức môn Anten truyền sóng Em xin cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình thầy Phan Xuân Vũ suốt trình học tập vừa qua Bài báo cáo cịn có sai sót, em mong thầy bạn góp ý  ... thiệu CPW- Fed Planar Printed Monopole Antenna - Anten đơn cực hình chữ nhật cấp nguồn CPW với thiết kế đơn giản, băng tần rộng đề xuất báo ? ?CPW- Fed Planar Printed Monopole Antenna With Impedance Bandwidth. .. Planar Printed Monopole Antenna Hình CPW- Fed Planar Printed Monopole Antenna Anten đề xuất báo anten đơn cực hình chữ nhật cấp nguồn CPW có thiết kế đơn giản, băng thơng rộng Cấu tạo anten bao gồm:... ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) Hình CPW- Fed Planar Printed Monopole Antenna Hình Chi tiết thông số anten .5 Hình Hai mặt phẳng đất CPW