nghiên cứu và thiết kế anten short backfire hoạt động ở tần số 2,44 ghz

Trong đó antenshort backfire là một loại anten phản xạ có độ định hướng tốt và độ lợi rất cao, cấu trúcđơn giản, đã được phát triển từ những năm 1960 nhằm mục đích kết nối không dây điểm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Viện Điện tử-viễn thông

BÁO CÁO

Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN

SHORT BACKFIRE HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ

Mục lục 1.Giới thiệu

1.1 Tóm tắt

1.2 Đề xuất mô hình Anten

1.2.1 Tần số hoạt động và băng thông

1.2.2 Đặc tính bức xạ điện từ của anten

1.2.2 Dạng đồ thị bức xạ (Radiation pattern)

1.2.4 Vùng bức xạ của anten (field zones)

2 Phân tích và thiết kế Anten

2.1 Mô tả chi tiết mô hình anten

2.1.1 Giới thiệu chung

2.1.2 Cấu tạo của anten short backfire cổ điển

2.1.3 Cơ sở để thiết kế anten

2.1.4 Độ lợi của anten short backfire

2.1.5 Half Power BeamWidth (HPBW) của anten short backfire

2.1.6 Mức búp sóng phụ của anten short backfire

2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán

2.2.1 Tính toán các thông số kĩ thuật cho anten

2.2.2 Phương pháp tiếp điện cho anten

2.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá anten

2.2.4 Tối ưu các thông số kĩ thuật cho anten

3 Thiết lập cho phần mềm mô phỏng ANSOFT HFSS 11.1

3.1 Các bước thiết kế cấu trúc anten

3.2 Kết quả mô phỏng

4 Kết luận

5 Tài liệu tham khảo

[1] John D.Karaus & Ronald J Marhefka, Antennas For All Application Third Edition,

2002

[2] Constantine A.Balanis, Antenna Theory- Analysic and Design Third Edition,2005.

[3] Kyohei Fujimoto, Mobile Antenna System Handbook Pages: 471-474 Third Edition,

1.Giới thiệu 1.1 Tóm tắt

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin và truyền số liệu vô tuyến đã và đangphát triển rất mạnh mẽ trên khắp thế giới Nhiều công nghệ và thiết bị không dây mới

và hiện đại hơn đã ra đời, trong số đó có một thiết bị quan trọng ra đời từ rất lâu và khôngthể thiếu trong bất kì hệ thống không dây nào, đó là anten Anten hiện nay đa dạng về cấutrúc như anten dipole, anten patch, anten loa, các loại anten phản xạ…vv Trong đó antenshort backfire là một loại anten phản xạ có độ định hướng tốt và độ lợi rất cao, cấu trúcđơn giản, đã được phát triển từ những năm 1960 nhằm mục đích kết nối không dây điểm –điểm ở các khoảng cách xa Bài tiểu luận này nghiên cứu và thiết kế nên một anten shortbackfire hoạt động ở dải tần 2.44 GHz Một cải tiến quan trọng trong việc thiết kế nênanten này là phần tử feed dipole là loại anten dipole mạch dải được làm trên nền mạch in FR4

có hằng số điện môi 4.6 thay vì sử dụng lưỡng cực đồng

Để chế tạo được anten mong muốn, ta tiến hành tìm hiểu cơ sở, cấu trúc và kích thướcanten Sau đó mô phỏng trên phần mềm Ansoft HFSS và tiến hành thiết kế một antenthực Cuối cùng ta tiến hành đo đạc các thông số, so sánh kết quả mô phỏng với kết quảthực tế để đi đến thiết kế, chê tạo một anten tối ưu nhất

1.2 Đề xuất mô hình Anten

1.2.1 Tần số hoạt động và băng thông

Ngày nay việc phát triển ứng dụng các phương pháp xử lí tín hiệu cùng với nhữngthành tựu đạt được trong lĩnh vực công nghệ vi điện tử và điện tử siêu cao tần cho phép thiếtlập nên nhiều loại anten nhỏ gọn với độ lợi rất cao phù hợp với nhiều mục đích truyền nhậnthông tin khác nhau Việc nghiên cứu và chế tạo nên loại anten trên nền những tấm mạch in

có thể được coi là bước phát triển trong những thập niên gần đây Ngoài ra việc kết hợp giữanhững anten đơn để tạo nên những loại anten mới đã đóng góp không nhỏ trong việc cảithiện chất lượng truyền nhận tín hiệu trong các hệ thống không dây, đặc biệt là ở các cự li xa.Trong bài tiểu luận này tập trung nghiên cứu và thiết kế nên một anten short backfirethật tối ưu với phần tử feed dipole là dạng anten dipole vi dải đã được cải tiến trên nềnmạch in FR4 có hằng số điện môi 4.6 và độ dày 1.6 mm, cùng với mặt phản xạ bằng nhôm

có kích thước thích hợp sử dụng cho dải tần 2.44GHz

Short backfire antenna có thể được coi là một dạng anten lí tưởng cho việc truyền nhận không dây ở cự li xa nhờ vào độ lợi cao và khả năng định hướng tốt

Anten short backfire là loại anten đã được nghiên cứu, chế tạo thành công và đưa vào sử dụngtrên thế giới cho việc kết nối không dây point to point ở cự li xa Tuy nhiên phần tử feeddipole thường được làm bằng lưỡng cực đồng, trong khi đó thiết kế phần tử feed dipole trênmạch in FR4 thì còn khá mới trên thế giới và ở Việt Nam Bài tiểu luận là bước nghiên cứutiếp theo trên cơ sở cải tiến loại anten dipole mạch dải (Printed dipole antenna) đơn giảntrên nền mạch in FR4 đã được thiết kế thành công ở niên luận 2

Bài tiểu luận nghiên cứu cơ bản về anten short backfire, giới thiệu cấu trúc chung vànhững thuận lợi cũng như khó khăn của nó Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, sau đó tiếnhành thiết kế cấu trúc và mô phỏng để tối ưu các kích thước Cuối cùng thiết kế nên mộtanten thực tế gồm có mặt phản xạ bằng nhôm và phần tử feed dipole được thiết kế trên nềnmạch in FR4 hoạt động tốt ở tần số 2.44 GHz

Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS, sau

đó tiến hành thiết kế cấu trúc 3D và mô phỏng trên phần mềm, thay đổi các kích thước saocho đạt các yêu cầu đề ra và ghi nhận lại các kết quả mô phỏng

1.2.2 Đặc tính bức xạ điện từ của anten

Hình 1.2.1 chỉ ra đặc tính bức xạ điện từ của một anten Một nguồn điện thế hình sin đượcđưa vào hai dây truyền sóng Khi nguồn điện thế này tác dụng lên dây truyền sóng sẽ tạo ra

điện từ và chuyển động có gia tốc tạo ra từ trường Nhờ vào sự thay đổi của từ trường và điệntrường mà sóng điện từ được tạo ra và truyền đi trên dây truyền sóng Khi lan truyền đếnanten, sóng điện từ này sẽ được anten phát ra ngoài không gian tự do.

độ phương hướng nhất định Các đặc tính của đồ thị bức xạ gồm mật độ thông lượng côngsuất, độ mạnh của trường, cường độ bức xạ, độ định hướng, pha và sự phân cực

Hình 1.2.2 Đồ thị bức xạ 3D của một anten định hướng 1.2.4 Vùng bức xạ của anten (field zones)

Không gian bao quanh một anten thường được chia thành ba vùng: vùng cận trường(Reactive Near Field Region), vùng bức xạ (Radiating Near Field Region), vùng viễn

trường (FarField Region)

Hình 1.2.3 Vùng bức xạ của anten

Vùng cận trường tập trung phần lớn năng lượng dao động tạo ra từ anten mang tính

chất điện kháng, năng lượng sóng tỏa ra được giữ nguyên công suất và không có năng lượng tiêu tán Giới hạn của vùng này thể hiện ở công thức (1)

R1  0.62 D

 (1)

Với R1 khoảng cách tính từ bề mặt anten

D: kích thước lớn nhất của anten

 : là bước sóng tự do

Vùng bức xạ (còn gọi là Fresnel zone) là vùng giữa vùng cận trường và vùng viễn

trường Những cảm ứng của bức xạ yếu hơn, trường phân bố theo góc là một hàm của khoảng cách tính từ anten Đường biên ngoài cùng cho vùng này là:

R2 = 2D2/ (2)Với D>  tiêu chuẩn này dựa trên sự sai pha cực đại π/8 Vùng trường này có đồ thị trường là một hàm của khoảng cách bán kính

Vùng viễn trường: Là vùng xa Anten nhất nhưng lại là vùng cần quan tâm nhất khi thiết

kế Anten

Trong vùng này dạng bức xạ của Anten được xác định mà không phụ thuộc vào khoảng cách tính

từ Anten đường biên trong của vùng này là biên ngoài của vùng bức xạ

2 Phân tích và thiết kế Anten

2.1 Mô tả chi tiết mô hình anten

2.1.1 Giới thiệu chung

Short backfire antenna đã được Dr Hermann W Ehrenspeck phát minh ra vào năm

1960 Đây là loại anten định hướng, có độ lợi cao, búp sóng cạnh nhỏ, băng thông hẹp, kíchthước nhỏ hơn so với anten parabol Short backfire antenna thường được sử dụng trong kết nốiđiểm – điểm (point to point) và có thể truyền với khoảng cách rất xa Anten này có thể kếtnối 2 tòa nhà cách xa nhau mà không có vật cản nào giữa chúng hoặc có thể hướng trực tiếpvào nhau để xuyên qua vật cản Ở những nơi việc lắp đặt mạng có dây khó khăn thì việc sửdụng anten short backfire để kết nối mạng là rất hiệu quả Tuy nhiên loại anten này có búpsóng rất hẹp nên khi kết nối phải hướng trực tiếp vào nhau thì mới kết nối được

Hình 2.1.1 Hình ảnh thực tế của một loại anten short backfire 2.1.2 Cấu tạo của anten short backfire cổ điển

Anten short backfire cổ điển có cấu tạo gồm hai thành phần chính:

+ Reflector: gồm 2 mặt phản xạ bằng kim loại, mặt phản xạ chính có dạng hình đĩa hoặc chảo với

đáy phẳng, đường kính đáy và chiều cao vành được tính toán tối ưu và thường được tính theo một

tỉ lệ với bước sóng Mặt phản xạ phụ tròn phẳng nằm phía trên lưỡng cực cách mặt phản xạ chính một khoảng cách nhất định (thường là 0.5 / ) định (thường là 0.5 /)

+ Feed: dạng lưỡng cực bằng đồng hay bằng vật dẫn điện tốt đặt tại tiêu điểm của mặt phản xạ

chính Feed này được nối với thiết bị truyền và nhận tín hiệu RF thông qua đường dây truyền dẫn

Hình 2.1.2 Cấu trúc 3D của anten short backfire cổ điển

Hình 2.1.3 Mặt cắt 2D của anten short backfire cổ điển

Dl là đường kính của mặt phản xạ chính

Hr chiều cao vành mặt phản xạ chính

Ds đường kính của mặt phản xạ phụ

Dd độ dài của lưỡng cực

Hs khoảng cách giữa hai mặt phản xạ

Hd khoảng cách giữa lưỡng cực và mặt phản xạ chính

2.1.3 Cơ sở để thiết kế anten

Anten được thiết kế một phần dựa trên mô hình anten short backfire đã được chế tạo

và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới (hình 2.1.4), một phần trên cơ sở cải tiến loạianten dipole vi dải bằng cách thêm chấn tử để tăng độ lợi cũng như độ định hướng

Hình 2.1.4 Cấu trúc anten short backfire

Hình 2.1.5 Cấu trúc và thông số kĩ thuật của anten dipole mạch dải

Hình 2.1.6 Hình ảnh thực tế của anten dipole mạch dải

Trong hình 2.1.4 ta thấy anten short backfire đang sử dụng hiện nay cấu tạo gồm 2 mặt phản

xạ đáy phẳng và một feed dipole đặt ở tâm của mặt phản xạ chính Hình 2.1.5 là loại anten dipole được làm hoàn toàn trên mạch in FR4 Kết hợp 2 loại anten này để thiết kế nên loại anten short backfire cải tiến với phần tử feed dipole làm từ đồng sẽ được thay thế bởi feed dipole làm hoàn toàn trên nền mạch in FR4 có thêm chấn tử để đạt độ lợi cũng như đáp ứng đầy đủ đặc tính của một anten short backfire hoạt động tốt ở dải tần 2.44 GHz

2.1.4 Độ lợi của anten short backfire

Anten short backfire là loại anten được tác giả phát minh ra từ quá trình nghiên cứu thựcnghiệm nên độ lợi cũng như các thông số cơ bản khác của anten được tác giả rút ra từ thựcnghiệm

Độ lợi của anten short backfire dao động trong khoảng từ 12 dB đến 15 dB Hình 2.16cho ta thấy độ lợi của anten theo các giá trị khác nhau của Dl và Ds Độ lợi cực đại của anten

khoảng 15 dB với Ds có kích thước từ 0.5 đến 0.7 và Dl khoảng 2.24

Hình 2.1.7 Đồ thị biểu diễn độ lợi của anten short backfire

Các thông số Dl, Ds và Hr là các thông số có ảnh hưởng rất lớn đến độ lợi của anten Vì vậykhi thiết kế loại anten này ta cần tối ưu các thông số trên để đạt được độ lợi tốt nhất

2.1.5 Half Power BeamWidth (HPBW) của anten short backfire

Một thông số có ảnh hưởng rất lớn đến sự tăng giảm HPBW của anten đó là kích cỡđường kính Ds của mặt phản xạ phụ Khi Ds càng lớn thì HPBW càng nhỏ và ngược lại Ds

càng nhỏ thì HPBW càng lớn Hình 2.1.8 cho ta thấy HPBW

của anten với các giá trị khác nhau của Ds.

Hình 2.1.8 Đồ thị thể hiện HPBW của anten 2.1.6 Mức búp sóng phụ của anten short backfire

Anten short backfire thuộc loại anten phản xạ định hướng tốt nên việc hình thànhcác búp sóng phụ là điều không mong muốn Tuy nhiên việc loại bỏ các búp sóng phụ làkhông thể mà chỉ có thể giảm đến mức nhỏ nhất Hình 2.1.9 cho ta thấy mức búp sóng cạnhtheo các giá trị khác nhau của chiều cao vành Hr mặt phản xạ lớn Ta có thể thấy rằng việcxác định chính xác kích thước Hr là rất quan trọng, nó đóng vai trò quyết định trong việcgiảm mức búp sóng phụ đặc biệt là búp sóng cạnh của anten short backfire

Hình 2.1.9 Mức búp sóng cạnh của anten 2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán

2.2.1 Tính toán các thông số kĩ thuật cho anten

Việc tính toán lí thuyết để đưa ra các thông số kĩ thuật cho anten chỉ mang tínhchất ước lượng, mục đích là để làm cơ sở xây dựng nên cấu trúc ban đầu cho anten Từ cácthông số này ta sẽ đưa ra các thông số tối ưu bằng cách mô phỏng trên phần mềm AnsoftHFSS

Hình 2.2.1 Cấu trúc ban đầu của anten

Các thông số về mặt lí thuyết được tính toán như sau:

Tần số hoạt động của anten f0 = 2.44 GHz Mạch inFR4 với:

- Hằng số điện môi  r = 4.6

- Độ dày mạch in h = 1.6 mm

- Suy hao điện môi 0.022

Ta chọn độ rộng dải dẫn của feed dipole là W = 6 mm Hằng số điện môi hiệu dụng:

Độ dài amr dipole Ld chọn /4 với  là bước sóng được tính theo công thức sau:

Trong đó:  = 3.108 m/s

Ld = 16mm = Lb + Lh

Đối với loại 2 chấn tử thêm vào thì ta chọn chấn tử 1 ta chọn độ rộng 6mm độ dài là

Và cách arm dipole khoảng cách /4 ta chọn chấn tử 2 có độ rộng 6mm và độ dài 2Ld = 32mm cách chấn tử 1 là 4 mm, đối với mặt phản xạ ta chọn đường kính 4 vành mặt phản xạ cao /2 Các thông số kĩ thuật khác ta sẽ chọn giá trị phù hợp sau đó tiến hành mô phỏng để tối ưu lại

2.2.2 Phương pháp tiếp điện cho anten

Khi thiết kế anten thì phương pháp tiếp điện cần được chọn lựa một cách hợp lí, nóquyết định đến khả năng phối hợp trở kháng giữa anten và feeder Đối với anten đang thiết

tự như anten vi dải Và phương pháp được chọn là tiếp điện bằng đường vi dải, đây làphương pháp đơn giản và được thực hiện dễ dàng, đảm bảo tốt việc phối hợp trở kháng.

2.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá anten

Khi thiết kế anten ta phải chú ý đến các thông số như tổn hao phản xạ S11,tỷ số sóng đứng điện áp VSWR, độ lợi và đồ thị bức xạ của anten Để đánh giá một anten ta phải dựa vào các thông số đó Cụ thể anten đang thiết kế phải đạt được các yêu cầu sau:

2.2.4 Tối ưu các thông số kĩ thuật cho anten

Từ các thông số đã tính toán trước đó, ta dùng phần mềm Ansoft HFSS đểthiết kế và mô phỏng anten sao cho đạt các tiêu chuẩn đánh giá anten đã đề ra bằng cáchthay đổi lần lượt từng thông số Sau nhiều lần mô phỏng các thông số được tối ưu như sau:+ Đường kính mặt phản xạ 260 mm

+ Chiều cao vành mặt phản xạ 63 mm

+ Các thông số kĩ thuật của feed dipole như hình 2.2.2

Hình 2.2.2 Kích thước anten

3 Thiết lập cho phần mềm mô phỏng ANSOFT HFSS 11.1

3.1 Các bước thiết kế cấu trúc anten

+ Đầu tiên khởi động Ansoft HFSS và chọn File/New để tạo Project mới

Hình P.1 Giao diện trong Ansoft HFSS

+ Chọn đơn vị: vào Modeler/Units, sau đó ta chọn đơn vị đo là mm

X Y Z dX dY dZ

-0.8 -24.25 24.5 1.6 48.5 42.5

Bảng 1 Kích thước của lớp mạch in

Sau khi tạo xong lớp nền mạch in ta có kết quả như hình P.3

Hình P.3 Vẽ lớp mạch in cho anten

 Tiếp theo ta chọn cả 2 khối,vào Modeler/Boolean/Unite để nhóm 2 khối này lại làm 1

Để chọn chất liệu là FR4 cho khối vừa tạo, ta có thể chọn trên thanh công cụ

hay ta có thể R-click trên khối và chọnAssign Material và chọn tiếp FR4-epoxy

Tất cả các thông số vừa tạo có thể vào hộp thoại Properties để thay đổi lại nếu cần

+ Vẽ microstrip line, ground plane và các chấn tử cho feed dipole ta làm tương tự Độ cao của khối chính là độ dày của lớp đồng phủ trên mạch in Các giá trị được thể hiện như sau:

X Y Z dX dY dZ0.8 10.5 26 0.05 21 3.50.8 -1.5 0 0.05 3 26

Bảng 2 Kích thước của microstrip line

X Y Z dX dY dZ-0.8 -7.5 0 -0.05 15 10-0.8 0.5 10 -0.05 5 16-0.8 -5.5 10 -0.05 5 16-0.8 1.5 26 -0.05 3 3-0.8 -4.5 26 -0.05 3 3-0.8 1.5 29 -0.05 19 6-0.8 -20.5 29 -0.05 19 6