(TIỂU LUẬN) 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 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 Hinh Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) Hinh CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna Hinh Chi tiết thông số anten Hinh Hai mặt phẳng đất CPW Hinh Tiếp điện waveport Hinh Giới hạn mô anten Hinh Bảng tham số anten mô Hinh Đồ thị S11 13.35 GHz Hinh Đồ thị S11 anten đề xuất Hinh 10 Đồ thị Gain 13.35 GHz Hinh 11 Đồ thị Gain 12.7 GHz 10 Hinh 12 Đồ thị Gain 24.1 GHz 10 Hinh 13 Co-pol Cross-pol 2.3 - 10 - 15 GHz 12 Hinh 14.Co-pol Cross-pol 2.3 - 10 - 15 GHz anten đề xuất 13 Hinh 15 Phân bố dịng điện anten mơ 14 Hinh 16 Phân bố dòng điện anten đề xuất 14 Hinh 17 Đồ thị S11 tối ưu 15 Hinh 18 S11 với b tăng 0.1mm 16 Hinh 19 Đồ thi 3D Gain tần số 13.35 - 12.7 - 24 GHz 16 Hinh 20 S11 với b giảm 0.69mm 17 Hinh 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 thông 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% f −f Với FBW = f c Trong : f 1: tần số hoạt động thấp f :tần số hoạt động cao f + f f c= 2 Hế số tăng ích (Gain): 0.7 – 4.4 dBi AI 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 ,l0 =41 ,l =26.6 , l1 =6.0 ,l2 =1.0 , gc=0.2, d1=0.45 , d2=2.5 , d3=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= −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 1+ εr εe = =2.7 ff Tần số trung tâm: 13.35 GHz Bước sóng: λ= f c εeff ≈ 13.676mm √ Kích thước giới hạn mơ phỏng: Hình Giới hạn mô anten Trục Ox: dx = λ + h (mm) Trục Oy: dy = λ + 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 m1 X Y 3.9000 -9.6373 -13.0079 4.0000 m2 m3 27.3000 -10.0612 m4 24.1000 -22.6303 m5 12.7000 -24.8695 m1 -10.00 m2 -15.00 dB(S(1,1)) -20.00 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 2.00 4.00 Hình Đồ thị S11 13.35 GHz Tại f = 12.7 GHz, S11 = -24.87 dB f = 24.1 GHz, S11 = -22.63 dB Băng th FB 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 mô 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 mơ 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-PolarizationCross- Polarizaation Azimuth Pattern 2.3GHz Elevation Rattern 2.3GHz -30 -12.00 -24.00 -60 -36.00 -48.00 -120 -150 -180 Elevation pattern 10GHz Azimuth Pattern 10GHz dB(GainPhi) Setup2 : LastAdaptive 0 -30 -30 -10.00 -20.00 -10.00 -60 -20.00 -30.00 -60 -40.00 -30.00 -40.00 -90 -120 -120 -150 -180 -150 Elevation Pattern 15GHz -180 Azimuth Pattern 15GHz -30 -7.00 -14.00 -60 -21.00 -28.00 -120 -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 mơ 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) mô có phân phối gần giống báo IV Tối ưu tham số 0.00 -5.00 m5 -10.00 -15.00 dB(S(1,1)) -20.00 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 -47.51 2.00 4.00 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 m2 27.5000 Y m3 12.7000 m4 24.0000 -21.3153 m5 3.9000 -9.8269 -9.8448 -24.8520 -5.00 -10.00 -15.00 dB(S(1,1)) -20.00 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 2.00 Freq [GHz] 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 Name X m1 12.8000 Y m4 28.2000 m5 24.2000 -25.7641 m6 5.0000 -9.8457 -39.4275 -9.8527 -5.00 -10.00 -15.00 dB(S(1,1)) -20.00 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 2.00 4.50 Freq [GHz] 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:... tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) Hinh CPW- Fed Planar Printed Monopole Antenna Hinh Chi tiết thông số anten Hinh Hai mặt phẳng đất CPW