Báo cáo tốt nghiệp thiết kế anten vi dài băng rộng

Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Trần Minh Tuấn, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt thời gian thực khóa luận Khơng có giúp đỡ lời khun vơ giá thầy, khóa luận em khơng thể hoàn thành Thêm nữa, em muốn bày tỏ lời cảm ơn tới GS Phan Anh Ths Trần Thị Thúy Quỳnh kịp thời trả lời câu hỏi thắc mắc em trình thực khóa luận, tạo điều kiện thuận lợi để em sử dụng thiết bị, máy móc phịng thí nghiệm để thực chế tạo đo đạc thực nghiệm Cuối cùng, em muốn cảm ơn sâu sắc tới gia đình em Gia đình yêu thương, ủng hộ giúp đỡ em không thời gian làm khóa luận mà khóa học Hà Nội, tháng 06 năm 2008 Sinh viên Lưu Văn Hoan Sinh viên: Lưu Văn Hoan i Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến TĨM TẮT NỘI DUNG KHĨA LUẬN Khóa luận tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo anten vi dải băng rộng, có khả hoạt động nhiều dải tần Anten sử dụng cho thiết bị di động hoạt động dải tần GSM, DCS, PCS, UTMS, WLAN Anten chế tạo chất có số điện mơi εr = 4.4, độ dày 0.8 mm thiết kế tần số 900 MHz 2000 MHz Nội dung khóa luận bao gồm chương phần đánh giá kết khóa luận hướng phát triển Trong chia thành hai phần với nội dung sau: Phần khóa luận đề cập tới lý thuyết anten, anten vi dải đường truyền vi dải Chương giới thiệu định nghĩa anten, nêu số tham số để đánh giá hiệu suất anten như: giản đồ xạ, công suất xạ, hệ số định hướng, hệ số tăng ích, phân cực, trở kháng vào, … Tiếp theo khái niệm anten vi dải: ưu điểm, nhược điểm số loại anten vi dải nghiên cứu thiết kế Một số điểm tổng quát đường truyền vi dải trình bày Chương đưa phương pháp để thiết kế anten vi dải băng rộng anten vi dải hoạt động nhiều băng tần Trong đó, số phương pháp để thiết kế anten vi dải trình bày như: phương pháp phối hợp trở kháng liên tục, phương pháp sử dụng chất dày hơn, phương pháp kích thích đa mode, phuơng pháp sử dụng nhiều patch xếp chồng nhau, … Đồng thời đưa phương pháp để thiết lập anten vi dải có khả hoạt động nhiều dải tần khác Việc thiết kế anten băng rộng đa dải tần đáp ứng xu tích hợp, thu nhỏ kích thước cho thiết bị di động đa Phần thứ hai vào thiết kế, mô đo đạc tham số anten Chương trình bày phương pháp thiết kế thành phần anten: thành phần xạ, phối hợp trở kháng dải rộng, đường truyền vi dải 50 Ω Chương trình bày q trình mơ phỏng, qui trình thiết kế đo đạc thực nghiệm Phần mô giới thiệu phần mềm Ansoft HFSS, phần mềm sử dụng mơ tốn điện từ 3D Trong trình bày việc thiết đặt tham số quan trọng để thực phân tích cấu trúc anten, kết mơ cấu trúc anten có nhánh điều chỉnh khơng có nhánh điều chỉnh Sau q trình thiết kế, mơ hồn thành (đạt tiêu chí yêu cầu), tiến hành chế tạo đo đạc tham số anten sử dụng máy Network Analyse hệ đo trường xạ anten Kết đo đạc thực nghiệm kết mơ cho anten thiết kế khóa luận tương đối phù hợp Dựa vào việc phân tích kết phân tích qui trình chế tạo anten, khóa luận đưa nguyên nhân gây sai lệch Đồng thời đề phương hướng giải phương hướng nghiên cứu nhằm cải thiện đặc tính anten Sinh viên: Lưu Văn Hoan ii Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN ii MỤC LỤC iii LỜI NÓI ĐẦU .1 Chương 1: Lý thuyết anten anten vi dải 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các tham số anten 1.1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten .5 1.1.2.2 Giản đồ xạ 1.1.2.3 Mật độ công suất xạ 10 1.1.2.4 Cường độ xạ 11 1.1.2.5 Hệ số định hướng 12 1.1.2.6 Hệ số tăng ích 13 1.1.2.7 Băng thông .14 1.1.2.8 Phân cực 15 1.1.2.9 Trở kháng vào 17 1.2 Đường truyền vi dải anten vi dải .18 1.2.1 Đường truyền vi dải 18 1.2.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 18 1.2.1.2 Cấu trúc trường đường truyền vi dải .18 1.2.2 Anten vi dải .19 1.2.2.1 Giới thiệu chung 19 1.2.2.2 Một số loại anten vi dải 20 1.2.2.3 Anten patch hình chữ nhật .22 Chương 2: Anten mạch dải băng rộng anten mạch dải nhiều băng tần 2.1 Giới thiệu chung .24 2.1.1 Dải thông tần 24 2.1.2 Dải tần công tác .25 2.2 Mở rộng băng thông anten vi dải .25 2.2.1 Giới thiệu .25 2.2.2 Ảnh hưởng tham số chất tới băng thông .27 2.2.3 Lựa chọn hình dạng thành phần xạ thích hợp 28 2.2.4 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp 29 2.2.5 Kỹ thuật kích thích đa mode 30 2.2.5.1 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần xạ xếp chồng .30 2.2.5.2 Mở rộng băng thông sử dụng thành phần kí sinh đồng phẳng 31 2.2.5.3 Các kỹ thuật kích thích đa mode khác .35 2.2.6 Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác 35 2.2.6.1 Phối hợp trở kháng 36 2.2.6.2 Mắc tải điện trở 37 Sinh viên: Lưu Văn Hoan iii Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến 2.3 Anten vi dải nhiều băng tần 37 2.3.1 Anten vi dải tần số cộng hưởng 37 2.3.2 Anten vi dải nhiều tần số cộng hưởng 38 2.4 Phối hợp trở kháng dải rộng 39 2.4.1 Ý nghĩa việc phối hợp trở kháng 39 2.4.2 Phối hợp trở kháng dải rộng 39 2.4.3 Một số phối hợp trở kháng dải rộng 42 2.4.3.1 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng hàm mũ 42 2.4.3.2 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác .43 2.4.3.3 Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein 44 2.4.4 Tiêu chuẩn Bode – Fano 46 Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải 3.1 Giới thiệu 48 3.2 Thiết kế thành phần xạ 49 3.3 Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng 50 3.3.1 So sánh số phối hợp trở kháng dải rộng 50 3.3.2 Lựa chọn phối hợp trở kháng dải rộng .52 3.4 Thiết kế đường truyền vi dải 50 Ω 53 3.4.1 Thiết kế với Ansoft Designer 2.0 53 3.4.2 Thiết kế dựa vào lý thuyết đường truyền vi dải 54 3.4.2.1 Trở kháng đặc trưng Z0 54 3.4.2.2 Bước sóng đường vi dải λ .55 3.4.2.3 Cơng suất cho phép trung bình Pav 57 3.4.2.4 Công suất cho phép tối đa Pp 58 Chương 4: Mô phỏng, chế tạo đo đạc tham số anten 4.1 Mô cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS 59 4.1.1 Phần mềm HFSS phiên 9.1 .59 4.1.2 Kết mô với HFSS 9.1 61 4.2 Chế tạo anten 67 4.3 Đo đạc tham số anten .69 PHỤ LỤC 73 A Phụ lục 1: Thuật toán chia lưới thích nghi Ansoft HFSS 9.1 73 B Phụ lục 2: Một số lưu ý thiết đặt tham số HFSS 74 B.1 Solution Setup .74 B.2 Mesh Operations 77 B.3 Radiation Boundary 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .80 Sinh viên: Lưu Văn Hoan iv Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến LỜI NĨI ĐẦU Truyền thơng khơng dây phát triển nhanh năm gần đây, theo thiết bị di động trở nên ngày nhỏ Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ thiết bị di động, anten gắn thiết bị đầu cuối phải thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn anten vi dải (microstrip antenna) anten mạch in (printed antenna), có ưu điểm hấp dẫn kích thước nhỏ dễ gắn lên thiết bị đầu cuối, …; chúng lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế Cũng lí này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu anten Gần đây, đặc biệt sau năm 2000, nhiều anten phẳng thiết kế thỏa mãn yêu cầu băng thông hệ thống truyền thông di động tế bào 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) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), phát triển xuất nhiều tài liệu liên quan Anten phẳng thích hợp ứng dụng thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) dải tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz) Anten vi dải vốn có băng thơng hẹp, mở rộng băng thông thường nhu cầu ứng dụng thực tế Do đó, việc giảm kích thước mở rộng băng thơng xu hướng thiết kế cho ứng dụng thực tế anten vi dải Nhiều cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với hai loại phân cực, phân cực trịn tăng ích cao báo cáo vài năm gần Khóa luận tập trung thiết kế anten vi dải băng rộng đa dải tần Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế mô HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) giao diện đồ họa đẹp để mang đến hiểu biết sâu sắc tất tốn trường điện từ 3D Khóa luận gồm chương: Chương 1: Lý thuyết anten anten vi dải Chương 2: Anten mạch dải băng rộng anten mạch dải nhiều băng tần Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải Chương 4: Mô phỏng, chế tạo đo đạc tham số anten Bằng nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, kết hợp với mơ khóa luận thực nội dung sau đây: Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến ¾ Nghiên cứu lý thuyết anten anten vi dải ¾ Nêu nguyên lý phương pháp để xây dựng anten vi dải băng rộng anten có khả hoạt động nhiều dải tần ¾ Thiết kế, mơ chế tạo anten vi dải dẹt có cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền mạch dải ¾ Đo đạc đánh giá đặc tính anten thiết kế như: tần số cộng hưởng, băng thông, trở kháng vào, giản đồ xạ Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học CHƯƠNG Ngành: Thông tin vô tuyến LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI Tóm tắt Chương trình bày vấn đề sau: ¾ Định nghĩa anten ¾ Các tham số anten ¾ Đường truyền vi dải ¾ Anten vi dải, mô tả cụ thể anten vi dải có patch hình chữ nhật 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ (anten phát) thu nhận sóng (anten thu) từ khơng gian bên ngồi gọi anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng (guiding device), thể hình 1.1 Thơng thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo fide tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten fide phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao không gây méo dạng tín hiệu Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng [3] Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten hình 1.1 làm việc chế độ phát thể hình 1.2, nguồn thể tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn thể đường dây với trở kháng đặc trưng Zc, anten thể tải ZA, ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể mát điện môi vật dẫn (conduction and dielectric loss), thành phần mát gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr gọi trở kháng xạ, thể xạ sóng điện từ anten Điện kháng XA thể phần ảo trở kháng kết hợp với xạ anten Ngồi sóng điện từ xạ khu xa, cịn có trường điện từ dao động gần anten, giàng buộc với anten Phần cơng suất khơng xạ ngồi, mà chuyển thành lượng điện trường, chuyển thành lượng từ trường thơng qua việc trao đổi lượng với nguồn Công suất gọi công suất vô công, biểu thị thông qua điện kháng XA Trong điều kiện lý tưởng, lượng tạo nguồn truyền hoàn toàn tới trở kháng xạ Rr Tuy nhiên, hệ thống thực tế, tồn mát điện môi mát vật dẫn (tùy theo chất đường truyền dẫn anten), tùy theo mát phản xạ (do phối hợp trở kháng khơng hồn hảo) điểm tiếp điện đường truyền anten Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten hình 1.1 [3] Sóng tới bị phản xạ điểm tiếp điện đường truyền dẫn đầu vào anten Sóng phản xạ với sóng truyền từ nguồn thẳng tới anten giao thoa tạo thành sóng đứng (standing wave) đường truyền dẫn Khi đường truyền xuất nút bụng sóng đứng Một mơ hình sóng đứng điển hình thể đường gạch đứt hình 1.2 Nếu hệ thống anten thiết kế khơng xác, đường truyền chiếm vai trò thành phần lưu giữ lượng thiết bị truyền lượng dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại sóng đứng đủ lớn, chúng phá hủy đường truyền dẫn Tổng mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát đường truyền tối thiểu hóa cách chọn đường truyền mát thấp, mát anten giảm cách giảm trở kháng xạ RL hình 1.2 Sóng đứng giảm khả lưu giữ lượng đường truyền tối thiểu hóa cách phối hợp trở kháng anten với trở kháng đặc trưng đường truyền Tức phối hợp trở kháng tải với đường truyền, tải anten Một phương trình tương tự hình 1.2 sử dụng để thể hệ thống anten chế độ thu, nguồn thay thu Tất phần khác Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến phương trình tương đương tương tự Trở kháng phát xạ Rr sử dụng để thể chế độ thu nhận lượng điện từ từ không gian tự truyền tới anten Cùng với việc thu nhận hay truyền phát lượng, anten hệ thống không dây thường yêu cầu định hướng lượng xạ mạnh theo vài hướng triệt tiêu lượng hướng khác Do đó, anten cần phải có vai trị thiết bị xạ hướng tính Hơn nữa, anten phải có hình dạng khác để phù hợp cho mục đích cụ thể Anten lĩnh vực sôi động Công nghệ anten phần thiếu giải pháp truyền thông Nhiều cải tiến đưa thời gian cách 50 năm sử dụng ngày nay; nhiên kết thay đổi đưa ngày nay, đặc biệt nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày lớn 1.1.2 Các tham số anten Phần trình bày số khái niệm quan hệ anten như: xạ sóng, trường xạ giản đồ trường xạ, phân cực sóng xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thơng, tăng ích, … 1.1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten Khi lượng từ nguồn truyền tới anten, trường tạo Một trường trường cảm ứng (trường khu gần), trường giàng buộc với anten; trường trường xạ (trường khu xa) Ngay anten (trong trường gần), cường độ trường lớn tỉ lệ tuyến tính với lượng lượng cấp tới anten Tại khu xa, có trường xạ trì Trường khu xa gồm thành phần điện trường từ trường (xem hình 1.3) Hình 1.3 Các trường xạ khu xa [8] Cả hai thành phần điện trường từ trường xạ từ anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền nhận lượng điện từ thơng qua khơng gian tự Sóng vơ tuyến trường điện từ di chuyển Trường khu xa sóng phẳng Khi sóng truyền đi, lượng mà sóng mang theo trải diện tích ngày lớn Điều làm cho lượng diện tích cho trước giảm khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến 1.1.2.2 Giản đồ xạ Các tín hiệu vơ tuyến xạ anten hình thành trường điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten sử dụng Giản đồ xạ thể đặc tính định hướng anten Giản đồ xạ anten định nghĩa sau: “là hàm toán học hay thể đồ họa đặc tính xạ anten, hàm tọa độ không gian” Trong hầu hết trường hợp, giản đồ xạ xét trường xa Đặc tính xạ phân bố lượng xạ không gian chiều hay chiều, phân bố hàm vị trí quan sát dọc theo đường hay bề mặt có bán kính khơng đổi Hệ tọa độ thường sử dụng để thể trường xạ hình 1.4 Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [3] Trong thực tế, ta biểu diễn giản đồ 3D hai giản đồ 2D Thông thường quan tâm tới giản đồ hàm biến θ với vài giá trị đặc biệt φ , giản đồ hàm φ với vài giá trị đặc biệt θ đủ để đưa hầu hết thông tin cần thiết Giản đồ đẳng hướng hướng tính Anten đẳng hướng anten giả định, xạ theo tất hướng Mặc dù lý tưởng thực mặt vật lý, người ta thường sử dụng tham chiếu để thể đặc tính hướng tính anten thực Anten hướng tính “anten có đặc tính xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo vài hướng hướng lại Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Hình 4.9 Giản đồ xạ 3D trường xa hệ tọa độ cực tần số 870 MHz Hình 4.10 Giản đồ xạ 3D trường xa hệ tọa độ cực tần số 2160 MHz Hình 4.11 Giản đồ xạ 3D trường xa hệ tọa độ cực tần số 2380 MHz Sinh viên: Lưu Văn Hoan 66 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Từ giản đồ xạ ta thấy, tần số tăng lên giản đồ xạ anten bị bóp méo dần, ảnh hưởng xạ mặt phẳng đất, xạ đường tiếp điện vi dải, lệch phối hợp trở kháng tăng lên 4.2 Chế tạo anten Sơ đồ khối hình 4.12 thể phương pháp thiết kế chế tạo anten vi dải thỏa mãn yêu cầu tốn Thiết kế sơ anten (trước mơ phỏng) Công việc thực trước thực q trình mơ Ở bước này, ta phải xác định tham số anten dựa u cầu tốn: ¾ Các tham số anten ¾ Các tham số anten vi dải: số điện môi chất nền, mát bề mặt, hình dạng kích thước thành phần xạ, chiều cao chất nền, điện dẫn suất dải dẫn điện, vị trí tiếp điện, VSWR đầu vào chấp nhận để tính tốn băng thơng Thiết kế anten (giai đoạn mơ phỏng) Tính tốn chi tiết tham số anten sử dụng phương trình tốn học: ¾ Liệt kê phương trình tính tốn tham số anten vi dải ¾ Thực mơ anten với tham số tính sơ biểu diễn kết thu ¾ So sánh kết mô với yêu cầu mong muốn xem phù hợp chưa? ¾ Chuẩn bị chế tạo anten: vẽ lại kết cấu anten Protel AutoCAD Chế tạo anten Từ file Protel AutoCAD, ta đặt mạch in thực làm thủ công Các ý tưởng Thiết kế Thiết kế sơ Con người Phần mềm mô Các kỹ thuật thiết kế anten Chế tạo Đo đạc Kết phân tích Thiết kế cuối Hình 4.12 Phương pháp thiết kế anten vi dải Sinh viên: Lưu Văn Hoan 67 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến (a) Mặt trước (b) Mặt sau (c) So sánh với kích thước đồng xu Hình 4.13 Anten thiết kế khóa luận Sinh viên: Lưu Văn Hoan 68 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Đo đạc tham số anten ¾ Sử dụng máy Network Analyze để đo tham số: hệ số phản xạ (return loss, hay S11), hệ số sóng đứng, trở kháng vào, … ¾ Lập hệ đo trường xạ anten ¾ Lưu lại tất liệu đồ thị ¾ So sánh kết đo đạc với kết mơ Thiết kế hồn thiện ¾ Thực mơ lại để tối thiểu hóa lỗi ¾ Chế tạo lại anten Tiếp tục đo đạc anten kết chấp nhận Hình 4.13 thể hình ảnh thực tế anten thiết kế khóa luận, sử dụng chất FR4 có số điện mơi εr = 4.4, độ dày chất 0.8 mm 4.3 Đo đạc tham số anten Bằng máy Network Analyse ta đo tham số anten như: suy hao phản xạ (S11), hệ số sóng đứng đường truyền vi dải (VSWR), trở kháng vào điểm đặt đầu đo (R + jX), … Sau thực lập hệ đo trường xạ anten Từ hình 4.14 4.15, ta thấy dạng đường cong hệ số phản xạ S11 hệ số sóng đứng VSWR tương đổi khớp với mơ HFSS Với giá trị hệ số phản xạ (Return Loss, hay S11) chọn là: S11 = -8 dB, tương ứng với hệ số phản xạ VSWR = 2.5 (4.2) S11 (dB) = -20log10(VSWR) Băng thông đo máy Network Analyse tương ứng cho dải sau: Bảng 4.2 Băng thông thu thực nghiệm Băng tần Tần số Băng thông GSM 856 MHz – 891 MHz 35 MHz UMTS 1941 MHz – 2235 MHz 294 MHz WLAN 2337 MHz – 2556 MHz 219 MHz Bảng 4.3 Băng thông chuẩn cho dải tần mong muốn Băng tần Tần số Băng thông GSM 890 MHz – 960 MHz 70 MHz DCS 1710 MHz – 1880 MHz 170 MHz PCS 1850 MHz – 1990 MHz 140 MHz UMTS 1920 MHz – 2170 MHz 250 MHz WLAN 2400 MHz – 2484 MHz 84 MHz Băng thông chưa đủ để bao phủ tất dải tần mong muốn liệt kê bảng 4.3 Trong đặc biệt dải GSM, DCS, PCS Anten chế tạo bao phủ GSM, UMTS WLAN Sinh viên: Lưu Văn Hoan 69 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Hình 4.14 Tham số S11 Hình 4.15 Hệ số sóng đứng (VSWR) Sinh viên: Lưu Văn Hoan 70 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Đồ thị so sánh kết mô kết đo đạc thực nghiệm hình 4.16: Hình 4.16 So sánh kết thực nghiệm mô Kết thực nghiệm lệch so với kết mơ số nguyên nhân sau: ¾ Việc chế tạo anten thực theo phương pháp thủ cơng, thành phần phối hợp trở kháng dải rộng có kích thước khơng xác thiết kế Điều làm tăng tượng sóng đứng đường truyền vi dải, công suất truyền thành phần xạ giảm Đồng thời làm giảm độ sâu cộng hưởng ¾ Vật liệu chất (tấm điện mơi mạch in) phịng thí nghiệm khơng phải vật liệu tốt, số điện mơi chất εr khơng xác 4.4, chiều cao chất h độ dày dải dẫn điện t khơng hồn tồn khớp với thiết đặt Ansoft HFSS Ansoft Designer, tham số mát vật liệu điện môi cao ¾ Việc mơ chưa tối ưu hóa Sinh viên: Lưu Văn Hoan 71 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KHÓA LUẬN HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Khóa luận bước mở đầu nghiên cứu, thiết kế chế tạo anten mạch dải băng rộng có khả hoạt động nhiều băng tần Tuy nhiên điều kiện sở vật chất cịn khó khăn, em thực cố gắng để đạt số kết thiết thực định Hướng phát triển khóa luận gồm vấn đề sau: ¾ Tối ưu hóa thiết đặt tham số phần mềm mô Ansoft HFSS 9.1 để thu kết xác (Chi tiết trình bày phần phụ lục B) Một số tham số quan trọng là: o Mesh Operations o Chia dải tần cần quan sát thành dải nhỏ hơn, thực phân tích dải với tham số Solution frequency chọn phù hợp cho dải ¾ Làm tăng băng thông thêm Tập trung vào việc điều chỉnh kích thước nhánh cộng hưởng thứ 1, vị trí điểm tiếp điện, nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) ¾ Lựa chọn phối hợp trở kháng dải rộng khác có đặc tính tốt Cụ thể phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein (như chương phân tích) ¾ Sử dụng thiết bị chun dùng để chế tạo anten nhằm thực xác kích thước thiết kế Sinh viên: Lưu Văn Hoan 72 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến PHỤ LỤC A Phụ lục 1: Thuật tốn chia lưới thích nghi Ansoft HFSS 9.1 Kỹ thuật chia lưới thích nghi tạo lưới phù hợp cho phép phân tích cấu trúc Bằng cách thực kỹ thuật chia lưới thích nghi, lưới tự động điều chỉnh để đạt lưới xác hiệu Nếu khơng có kỹ thuật chia lưới thích nghi, việc tạo lưới xác dành cho người sử dụng Đây công việc chán ngắt dễ gây lỗi Với kỹ thuật chia lưới thích nghi, bạn biết câu trả lời lần Kỹ thuật chia lưới thích nghi làm việc nào? Thuật tốn chia lưới thích nghi tìm gradient lớn trường E sai số chia thành mắt lưới vùng Các vị trí đặc biệt, chẳng hạn vùng gần biên vật dẫn, phải chia thành mắt lưới có dạng đặc biệt Sự gia tăng số lượng mắt lưới sau bước thích nghi (adaptive pass) điều khiển tuỳ chọn Tetrahedron Refinement phần Setup Solution (ở tab Advanced) Bạn nên ý rằng, tuỳ chọn Tetrahedron Refinement tính theo phần trăm Điều đảm bảo bước, mắt lưới xáo trộn đủ đảm bảo bạn không nhận điểm hội tụ sai Sau hệ thống mắt lưới lấp kín tồn cấu trúc, lời giải thực trình lặp lại hội tụ Sự hội tụ Sau bước thích nghi, HFSS so sánh tham số S nhận từ mắt lưới với tham số S nhận từ mắt lưới trước Nếu kết khơng thay đổi so với giá trị định nghĩa người dùng giá trị Delta S khơng thay đổi, lời giải coi hội tụ, mắt lưới trước sử dụng để tính tốn tham số khác Nếu lời giải hội tụ, mặt kỹ thuật mắt lưới trước mắt lưới Trong trường hợp này, HFSS sử dụng mắt lưới trước để biểu diễn đồ thị Hình A.1 Sự hội tụ lời giải HFSS Sinh viên: Lưu Văn Hoan 73 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Trên hình vẽ cho ta thấy, lời giải hội tụ sau bước thích nghi Giá trị Delta S mà ta mong muốn 0.02 (giá trị mặc định HFSS, thông thường đủ cho ứng dụng), sau lời giải hội tụ giá trị Delta S đạt 0.009711 Delta S Delta S tiêu chuẩn mặc định sủ dụng để xác định độ hội tụ lời giải Delta S định nghĩa giá trị chênh lệch lớn biên độ tham số S bước thích nghi liên tiếp ¾ Maxij[mag(SNij – S(N-1)ij], i j số phần tử tuơng ứng ma trận S N số lượng bước thích nghi ¾ Bởi biên độ đại lượng vector, biến đổi khoảng đến Do kỹ thuật chia lưới thích nghi dựa trường E, việc chọn Adaptive Frequency (hay Solution Frequency) thích hợp tham số định Giống điều kỹ thuật, tất qui tắc có ngoại lệ, nói chung, gợi ý giúp bạn chọn Solution Frequency hợp lý ¾ Các cấu trúc băng rộng: giới hạn dải tần bạn quan tâm nên sử dụng, mắt lưới nhỏ hợp lý tất điểm tần số thấp ¾ Các lọc thiết bị băng hẹp: tần số dải thông (pass-band) vùng hoạt động nên sử dụng, dải triệt (stop-band) trường E xuất port … Thiết đặt tiêu chuẩn hội tụ Ta thường yêu cầu độ xác lớn định nghĩa Delta S Hãy nhớ rằng, trình chế tạo, thiết bị phịng thí nghiệm q trình đo đạc có dung sai cố hữu Nói chung, Delta S khoảng 0.02 (2%), giá trị mặc định, 0.01 (1%) đủ Sự hội tụ lời giải – Ma trận S đại lượng trường Tiêu chuẩn hội tụ thiết lập dựa ma trận S Thông thường, ma trận S hội tụ trước đại lượng trường (E H) hội tụ Điều nói lên rằng, bạn tìm giá trị trường tuyệt đối miền không gian bạn định nghĩa, bạn cần phải giải thêm vài bước thích nghi để thu giá trị hội tụ mà bạn đạt ma trận S Và điều phụ thuộc vào đại lượng trường (E hay H) mà bạn tìm lời giải Ansoft HFSS tìm trực tiếp lời giải cho trường E Từ trường E, tính trường H từ trường H tính dịng Do đó, đại lượng trường hội tụ thay đổi mật độ mắt lưới B Phụ lục 2: Một số lưu ý thiết đặt tham số HFSS B.1 Solution Setup Click phải vào Analysis chọn Add Solution Setup… Cửa sổ Solution Setup hiển thị Tại ta thiết đặt Solution Frequency (hay Adaptive Frequency) Convergence Criteria (tiêu chuẩn hội tụ) Sinh viên: Lưu Văn Hoan 74 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến General Tab Solution Frequency Tần số sử dụng thành phần chia lưới thích nghi (adaptive mesher) để tự động chia mắt lưới Sau thiết đặt “Solution frequency”, tất nhiên nhận giá trị bước sóng tương ứng, HFSS thiết đặt việc tính tốn mắt lưới theo giá trị bước sóng Do đó, thiết đặt tần số “Solution frequency” cao hơn, ta nhận bước sóng ngắn hơn, mắt lưới ta thu nhỏ Điều có nghĩa rằng, số lượng mắt lưới lớn Về lý thuyết, kết mơ nhận xác Vì vậy, “Solution frequency” khơng thiết phải trùng với tần số cộng hưởng cấu trúc Tuy nhiên, ta gặp vấn đề khác là: tài ngun máy vi tính (bộ nhớ) có hạn Do đó, số lượng mắt lưới lớn, làm tràn nhớ máy tính Giải pháp cho vấn đề thực sau: chia dải tần quan tâm (500 MHz – GHz), anten thiết kế khóa luận này, thành dải tần nhỏ thực phân tích với thiết đặt “Solution frequency” cho dải nhỏ sau: Bảng B.1 Lựa chọn Solution frequency Dải tần Solution frequency 500 1000 MHz 1000 MHz 1000 1500 MHz 1500 MHz 1500 2000 MHz 2000 MHz 2000 2500 MHz 2500 MHz 2500 3000 MHz 3000 MHz Hình B.1 Thiết đặt tùy chọn “Solution Setup” tab General Sinh viên: Lưu Văn Hoan 75 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Khi trình phân tích cho tất dải tần kết thúc, ta vẽ kết thu cho dải tần trên đồ thị cách xuất liệu file *.m (Matlab), sau sử dụng Matlab để vẽ đồ thị Solve Ports Only Khi sử dụng tùy chọn này, HFSS xác định tần số mode ban đầu sử dụng để kích thích cấu trúc Lời giải áp dụng port sử dụng để tính tốn giản đồ trường port Lời giải hữu dụng cần xác định số lượng mode, độ dài port và/hoặc thiết lập port hợp lý trước chạy Analysis để tìm tồn lời giải Adaptive Solutions Maximum Number of Passes: giá trị điều khiển số lượng bước thích nghi lớn mà thủ tục chia lưới thích nghi thực cố gắng thoả mãn tiêu chuẩn hội tụ Maximum Delta S Per Pass: giá trị định nghĩa tiêu chuẩn hội tụ cho trình chia lưới thích nghi Thơng thường giá trị chọn khoảng 0.02 0.01 đủ Quá trình chia lưới thích nghi ngừng số lượng bước thích nghi chưa đạt đến giá trị “Maximum Number of Passes” giá trị Delta S thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ “Maximum Delta S Per Pass” thiết lập Advanced Tab Initial Mesh Options Do Lambda Refinement: lưới khởi tạo hệ thống mắt lưới có dạng tứ diện Q trình Lambda Refinement thao tác lưới khởi tạo hầu hết độ dài phần tử mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng khơng khí 1/3 bước sóng điện mơi Bước sóng tính tốn từ giá trị tần số nhập vào tuỳ chọn “Solution Frequency” tab General Use Free Space Lambda: tuỳ chọn ép trình Lambda Refinement hướng tới kích thước mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng khơng khí Các đặc tính vật liệu cấu trúc bị bỏ qua Điều hữu dụng ứng dụng sử dụng điện mơi có độ dẫn điện cao Adaptive Options Refinement Per Pass: số lượng mắt lưới tăng lên sau bước thích nghi điều khiển tuỳ chọn Refinement Per Pass, tham số tính theo phần trăm Điều đảm bảo bước thích nghi, mắt lưới đủ xáo trộn đảm bảo bạn không nhận hội tụ sai Minimum Number of Passes: phân tích thích nghi khơng dừng số lượng bước tối thiểu mà bạn xác định tùy chọn hoàn thành, chí tiêu chuẩn hội tụ thoả mãn Sinh viên: Lưu Văn Hoan 76 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Minumum Converged Passes: phân tích thích nghi không dừng trừ số lượng bước hội tụ tối thiểu mà bạn xác định hoàn thành Tiêu chuẩn hội tụ phải phù hợp với số lượng bước tối thiểu trước phân tích thích nghi dừng Thông thường tùy chọn tab để mặc định đủ Nếu muốn kết xác hơn, ta thay đổi tùy chọn Hình B.2 Thiết đặt tùy chọn” Solution Setup” tab Advanced B.2 Mesh Operations Click phải vào “Mesh Operations”, chọn Assign, chọn On Selection, chọn Length Based… Cửa sổ Element Length Based Refinement xuất Tại cho phép bạn thiết đặt tùy chọn cho trình chia lưới thích nghi Maximum Length of Elements Kinh nghiệm thực tế từ mô cho ta nhận xét rằng: thiết đặt tùy chọn Maximum Length of Elements với giá trị 1/30 giá trị bước sóng chân không tần số cao dải tần thực phân tích cho kết đủ xác Ví dụ dải 500 MHz – 1000 MHz tần số 1000 MHz tần số cao dải, bước sóng chân khơng tương ứng với tần số 300 mm, 1/30 bước sóng 10 mm Maximum Length of Elements = c 30 f top (B.1) Giá trị Maximum Length of Elements thiết đặt cho dải tần mơ cho anten khóa luận sau: Sinh viên: Lưu Văn Hoan 77 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến Bảng B.1 Lựa chọn độ dài cực đại mắt lưới Dải tần Maximum Length of Elements 500 1000 MHz 10 mm 1000 1500 MHz mm 1500 2000 MHz mm 2000 2500 MHz mm 2500 3000 MHz mm Hình B.3 Thiết đặt tùy chọn Mesh Operations B.3 Radiation Boundary Biên xạ (radiation boundary), cịn gọi biên hấp thụ (absorbing boundary) Sóng điện từ xạ cấu trúc anten thẳng tới biên xạ Hệ thống hấp thụ sóng xạ biên xạ Các biên xạ đặt tương đối gần với cấu trúc có hình dạng Với cấu trúc thiết lập biên xạ, tham số S tính tốn có tính đến ảnh hưởng mát xạ Khi biên xạ thiết lập cấu trúc, trường xa tính tốn dựa sóng hấp thụ thu biên xạ Để đơn giản, ta thường vẽ biên xạ hình hơp chữ nhật, độ dài cạnh thường chọn bước sóng chân khơng tần số thấp dải tần quan tâm Tuy nhiên, đơi q trình mơ với thiết đặt biên xạ diễn chậm, ta thiết đặt biên xạ ½ giá trị bước sóng chân khơng tần số thấp Trong khóa luận này, tần số thấp dải 500 MHz – 3000 MHz 500 MHz, ta vẽ biên xạ hình hộp chữ nhật (hình B.4) với độ dài cạnh 300 mm (1/2 bước sóng tần số 500 MHz) Sinh viên: Lưu Văn Hoan 78 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Hình B.4 Biên xạ cho anten khóa luận Sinh viên: Lưu Văn Hoan 79 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thơng tin vơ tuyến TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] GS TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [2] GS TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, Tài liệu giảng dạy trường ĐH Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh [3] Constantine A Balanis, Antenna Theory – Analysis and Design, John Willey & Son, INC, Second Editon [4] David M Pozar, Microwave Engineering, John Willey & Son, INC, Second Editon [5] Y J Wang, C K Lee, Design of Dual-Frequency Microstip Patch Antennas and Application for IMT-2000 Mobile Handsets, Nanyang Technological University, Nanyang Avenue, Singapore [6] Xu Jing, Zhengwei Du and Ke Gong, Compact Planar Monopole Antenna for Multi-band Mobile Phones, Tsinghua University, Beijing, People’s Republic of China [7] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Hanbook, Artech House [8] U.S Marine Corps, Field Antenna Handbook [9] Chin Liong Yeo, Active Microstrip Array Antennas, Submitted for the degree of Bachelor of Engineering, University of Queensland Cơng cụ tìm kiếm Google, với từ khóa: wideband impedance matching, broadband antenna, monopole antenna, multiband antenna Sinh viên: Lưu Văn Hoan 80 Lớp K49 Thông tin vô tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến ANTEN MẠCH DẢI BĂNG RỘNG VÀ CHƯƠNG ANTEN MẠCH DẢI NHIỀU BĂNG TẦN Tóm tắt Thiết kế anten băng rộng anten nhiều băng tần xu hướng phát triển anten vi. .. thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với hai loại phân cực, phân cực trịn tăng ích cao báo cáo vài năm gần Khóa luận tập trung thiết kế anten vi dải băng. .. quát đường truyền vi dải trình bày Chương đưa phương pháp để thiết kế anten vi dải băng rộng anten vi dải hoạt động nhiều băng tần Trong đó, số phương pháp để thiết kế anten vi dải trình bày như: