báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài ăng ten vi dải cấu hình thấp băng thông rộng sử dụng cấu trúc kết hợp dải khe

TÌM HIỂU - THU THẬP YÊU CẦU1.1.Tìm hiểu vấn đề- Hạn chế chính của anten vi dải truyền thống là băng thông trở kháng hẹpthường nhỏ hơn 3%, có hệ số phản xạ nhỏ hơn -10 dB.1.3.Ứng dụng- An

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Vũ Kim Ngọc 20203746

Hồ Sỹ Minh 20213998

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU – THU THẬP YÊU CẦU 2

1.1 Mục tiêu đề ra 2

1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật 2

1.3 Ứng dụng ăng-ten vào thực tiễn 2

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SƠ BỘ ĂNG-TEN 3

2.1 Tổng quát cấu trúc anten vi dải 3

2.2 Chi tiết các tầng anten 4

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 6

3.1 Đồ thị S(1,1) 6

3.2 Đồ thị trở kháng Z 8

3.3 Đồ thị phương hướng bức xạ 9

3.4 Đồ thị Gain 12

CHƯƠNG 4 TỐI ƯU ANTEN 14

4.1 Mục tiêu đặt ra 14

4.2 Thông số tối ưu 14

KẾT LUẬN 21

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU - THU THẬP YÊU CẦU

1.1 Tìm hiểu vấn đề

- Hạn chế chính của anten vi dải truyền thống là băng thông trở kháng hẹp(thường nhỏ hơn 3%, có hệ số phản xạ nhỏ hơn -10 dB)

1.2 Mục tiêu kỹ thuật

- Tăng cường độ rộng băng thông lên tới 41% trong phạm vi độ cao 0.06λ0

- Thông qua các bài báo nghiên cứu và kiểm chứng về các kỹ thuật tăngcường băng thông của anten vi dải, một anten vi dải băng thông rộng cấuhình thấp, với cấu trúc lai giữa dải và khe được đề xuất

- Cấu trúc lai dải-khe gồm 4 dải và 3 khe hẹp Một đường truyền vi dải hìnhchữ Y được đưa vào để cấp nguồn cho anten thông qua khe hở trên lớpground

1.3 Ứng dụng

- Anten vi dải được ứng dụng nhiều trong thiết bị liên lạc với những ưu điểm

rõ ràng của nó: chi phí sản xuất thấp, chế tạo dễ dàng và cấu hình thấp

- Anten vi dải băng thông rộng cấu hình thấp sử dụng cấu trúc kết hợp giữa

dải và khe được sử dụng trong các dịch vụ liên lạc đòi hỏi truyền thông tinvới dung lượng lớn, nhanh và đường truyền ổn định

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SƠ BỘ 2.1 Tổng quát cấu trúc anten vi dải

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát anten vi dải

Sơ đồ tổng quát anten vi dải như trên Hình 2.1 Cụ thể như sau:

- Anten gồm 3 tầng: 1 tầng ground với khe hở hình chữ nhật ở chính giữa,bao quanh tầng ground là 2 tầng điện môi đều dùng chất liệu với độ điệnthẩm tương đối là 3.38 và tổn thất tiếp tuyến tan δ là 0.0027 Trên mặt trêncủa tầng điện môi có một lớp dán bức xạ, và mặt bên dưới của tầng điện môi

là một đường truyền vi dải cấu trúc hình chữ Y Tiếp điện được đặt để nốigiữa tầng đất với đường truyền

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

2.2 Chi tiết các tầng anten

Hình 2.2 Sơ đồ chi tiết các tầng của anten

Sơ đồ chi tiết các tầng của anten được mô tả trên Hình 2.2 Các thông số cụ thểnhư sau (đơn vị: mm) :

Hình 2.3 Anten sau khi mô phỏng

- Anten sau khi mô phỏng đạt được các kích thước kỹ thuật giống với trongbài báo

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Đồ thị S(1,1)

Hình 3.1.1 Đồ thị S(1,1) thu được sau khi mô phỏng

Đồ thị S(1,1) thu được sau khi mô phỏng được mô tả trong Hình 3.1.1 Từ hình

có thể nhân xét:

- Anten hoạt động trong các dải tần số từ 4.3487GHz - 4.5772 GHz, từ

- Anten hoạt động mạnh tại các tần số 4.5351GHz, 5.5932GHz và

6.2665GHz Anten Hoạt động tốt nhất tại 5.5932GHz.

So sánh với đồ thị S(1,1) trong bài báo :

Hình 3.1.2 Đồ thị S(1,1) trong bài báo

Đồ thị S(1,1) trong bài báo được biểu diễn trong Hình 3.1.2 Từ đó có thể thấykết quả mô phỏng trong báo cáo gần giống với kết quả trong bài báo, nhưng chưa đạtđược băng thông rộng như trong bài báo

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

3.2 Đồ thị trở kháng Z

Hình 3.2 Đồ thị trở kháng Z thu được sau khi mô phỏng

Đồ thị trở kháng Z thu được sau khi mô phỏng được biểu thị ở Hình 3.2 Từhình ta có thể thấy:

- Đường màu đỏ là phần thực và đường màu tím là phần ảo trở kháng Z

- Tại 4.5291GHz và 4.5823GHz, phần thực trở kháng Z xấp xỉ 50Ω, và tại4.5591GHz phần ảo xấp xỉ bằng 0

Curve Info re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

3.3 Đồ thị phương hướng bức xạ

Hình 3.3.1 Đồ thị phương hướng bức xạ tại tần số 5.5931GHz và góc Phi=0

Hình 3.3.2 Đồ thị 3D phương hướng bức xạ tại tần số 5.5931GHz

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

-35.00 -30.00 -25.00 -20.00

90 60

30 0 -30

HFSSDesign1 Radiation Pattern 1

Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : Sw eep Freq='5.593186373GHz' Phi='0deg'

Từ 2 đồ thị 2D và 3D phương hướng bức xạ, ta có thể thấy tại tần số 5.5931GHz,anten bức xạ mạnh nhất theo trục Ox, yếu nhất tại chiều dương trục Oz.

So sánh với bài báo

-48.00 -41.00 -34.00 -27.00

90 60 30 0 -30 -60

-90

-120 -150 -180 150 120

Hình 3.3.3 Đồ thị 2D phương hướng bức xạ tại tần số 4.7GHz

Hình 3.3.4 Đồ thị 2D phương hướng bức xạ tại tần số 4.7GHz của bài báo

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

-9.00 -3.00 3.00 9.00

90 60 30 0 -30 -60

-90

-120

-150 -180 150 120

Hình 3.3.5 Đồ thị 2D phương hướng bức xạ tại tần số 5.5GHz

Hình 3.3.6 Đồ thị 2D phương hướng bức xạ tại tần số 5.5GHz của bài báo

-33.00 -26.00 -19.00 -12.00

90 60 30 0 -30 -60

-90

-120

-150 -180 150 120

Hình 3.3.7 Đồ thị 2D phương hướng bức xạ tại tần số 6.0GHz

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Hình 3.3.8 Đồ thị 2D phương hướng bức xạ tại tần số 6.0GHz của bài báo

Nhận xét: Kết quả bài mô phỏng so với bài báo cáo không giống nhau.

CHƯƠNG 4 TỐI ƯU ANTEN 4.1 Mục tiêu đặt ra

- Tăng độ rộng băng thông lên 41%

- Tăng công suất hoạt động của anten tại 3 tần số làm anten hoạt động tốt

4.2 Thông số tối ưu

Lần 1: Điều chỉnh độ dài của phần thân đường truyền vi dải (Lwave) từ

14-16mm, step = 0.5mm

Hình 4.1 Setup Lwave từ 14-16mmANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Lw ave='14mm' dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='14.5mm' dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15mm' dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

Hình 4.2 Đồ thị S(1,1) với Lwave từ 14-16mm

Hình 4.3 Đồ thị S(1,1) với Lwave = 15.5mm(màu xanh) so với 15mm(màu đỏ)

- Sau khi tối ưu,độ rộng băng thông đạt 39.76%, anten hoạt động tốt tại 3 tần

Curve Info re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15mm' re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15mm' im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

m10

Curve Info Setup1 : Sw eep

Lw ave='15mm' dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

- Sau khi tối ưu, tại tần số 6.3GHz trở kháng Z của anten cộng hưởng = 50Ω.Tại các tần số 4.5GHz và 5.7GHz độ cộng hưởng cũng chính xác hơn, trùngvới các tần số hoạt động tốt của anten.

Chọn thông số Lwave = 15.5mm Lần 2: Với Lwave = 15.5mm, thay đổi thông số độ rộng của 2 cánh tay đường

truyền vi dải (Wms2) từ 1.7-1.8mm, step = 0.1mm

Hình 4.5 Setup Wms2ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

m8

Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.7mm' Ww ='8mm' dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.75mm' Ww ='8mm' dB(S(1,1))

Hình 4.6 Đồ thị S(1,1) sau khi thay đổi Wms2

Hình 4.7 Đồ thị trở kháng Z sau khi thay đổi Wms2

- Từ Hình 4.6 và Hình 4.7, có thể thấy việc thay đổi Wms2 chưa gây ra thayđổi lớn ở đồ thị S(1,1) và đồ thị trở kháng

Giữ lại thông số Wms2=1.75mm như trong báo cáo

Lần 3: Với Lwave = 15.5mm, thay đổi độ rộng (Ws) và chiều dài (Ls) của khe hở trêntấm ground

m5

m7

m8

m9 m10

Curve Inf o re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.7mm' Ww ='8mm' re(Z(1,1))

Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.75mm' Ww ='8mm' re(Z(1,1))

Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.8mm' Ww ='8mm' im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.7mm' im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Lw ave='15.5mm' Wms2='1.75mm' im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep

Hình 4.8 Setup thay đổi Ws, Ls

Hình 4.9 Đồ thị S(1,1) sau khi tối ưu Ws và Ls

- Sau khi tối ưu Ws và Ls, từ đồ thị Hình 4.9 có thể thấy tại 2 thông số ban

m5

m6

m7 m9

Giữ lại thông số của Ws=3.8mm và Ls=29mm

Lần 4: Với Lwave =15.5mm ,thay đổi thông số độ rộng của thân đường truyền vi dảiWms từ 1.6-2.0mm, step = 0.4mm

Hình 4.10 Setup tối ưu WmsANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='1.6mm' Wms2='1.75mm' Ws='3.8mm' Ww ='8mm' dB(S(1,1))

Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='1.85mm' Wms2='1.75mm' Ws='3.8mm' Ww ='8mm' dB(S(1,1))

Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='2mm' Wms2='1.75mm' Ws='3.8mm' Ww ='8mm'

Hình 4.11 Đồ thị S(1,1) sau khi tối ưu Wms

- Sau khi tối ưu, tại Wms = 1.6mm (nhỏ hơn so với ban đầu 0.25mm) ta thuđược anten với độ rộng băng thông 40,9% (gần đạt so với mục tiêu 41%).Tại 2 tần số 4.5Ghz và 6.3Ghz, anten hoạt động với công suất mạnh hơn sovới lần tối ưu ban đầu Anten hoạt động tốt nhất tại 6.3Ghz ở mức -39dB

Hình 4.11 Đồ thị trở kháng Z giữa Wms = 1.6mm và 1.85mm

- Sau khi thay đổi Wms, đồ thị trở kháng Z không có nhiều thay đổi, tại 3 tần

số anten hoạt động tốt 4.5Ghz, 5.7Ghz và 6.3Ghz, trở kháng anten vẫn đạtcộng hưởng và bằng 50Ω

Chọn thông số Wms=1.6mm

KẾT LUẬN

Sau 4 lần tối ưu, tuy chưa đạt được kết quả giống trong bài báo, nhưng đã tối

ưu được băng thông anten lên 40.9% , gần đạt với mục tiêu 41%, anten hoạt động tốttại 3 tần số 4.5Ghz, 5.7Ghz và tốt nhất tại 6.3Ghz ở mức -39dB Kết quả cuối cùng lấyLwave = 15.5mm và Wms = 1.6mm, các thông số còn lại giữ nguyên giống như trongbài báo

m11

re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='1 re(Z(1,1))

Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='1 im(Z(1,1))

Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='1 im(Z(1,1))

Setup1 : Sw eep Ls='29mm' Lw ave='15.5mm' w ='8.9mm' Wms='1.