báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài anten đơn cực mạch in printed monopole antenna

Năm 1972, Munson và Howell đưa ra ý tưởng về ăng-ten mạch in, dẫn đến sự phát triển của anten đơn cực mạch in được thực hiện bởi King và Harrison vào năm 1974.. ữ ồ ấ ầ ử ứ ạThông thường

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆ N T Ử

Giảng viên hướng dẫn: TS Đoàn Th Ng c Hi n ị ọ ề

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh sách hình ảnh 4

LỜI MỞ ĐẦU 6

I GI I THI U 7Ớ Ệ 1 L ch s 7ị ử 2 C u t o 7ấ ạ 3 Phương pháp cấp nguồn 9

3.1 Microstrip line 9

3.2 Coaxial probe 10

3.3 Aperture-coupling 11

3.4 Proximity coupling 12

4 Ưu Nhược điể- m Ứng dụng 12

4.1 Ưu điểm 12

4.2 Nhược điểm 13

4.3 ng d ng 13Ứ ụ II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 14

1 Cấu hình tr c giao 15ự 2 Cấu hình đường truy n vi d i 15ề ả 3 Cấu hình ống dẫn sóng đồng ph ng 15ẳ III ĐẶC TÍNH 16

1 Phân c c 16ự 2 Băng thông 16

3 Điện tr ở đầu vào cộng hưởng 16

4 Hi ệu su t bấ ức xạ 17

5 Đồ thị b c x 17ứ ạ IV CÁC D NG ANTEN 19Ạ 1 Anten đơn cực hình chữ nhật 19

2 Anten đơn c c m ch in d i 19ự ạ ả 3 Anten đơn c ực dả ố i u n 20

4 Anten chữ Z 20

5 Anten đơn c ực mạ ch in tròn 21

V MÔ PHỎNG 22

1 Thông s 22ố 1.1 Yêu c u thi t k 22ầ ế ế 1.2 Tính toán thông s thi t k 22ố ế ế 2 Mô ph ng 23ỏ 2.1 Mô hình hoá 23

2.2 Điều chỉnh thông số 25

3 K t qu 25ế ả 3.1 Băng thông 25

3.2 Tăng ích 26

3.3 Đồ thị bức xạ 26

4 Đánh giá 26

KẾT LU N 27Ậ PHỤ L C 28Ụ Tài li u tham kh o 28ệ ả Phân công công việc 28

Danh sách hình nh ả

Hình 1 Anten đơn cực mạch in 6 Hình 2 Anten đơn cực m ch in thạ ực tế 7Hình 3 Cấu t o anten ạ đơn cực mạch in 8Hình 4 Các hình dạng t m patch 9ấHình 5 Mạch tương đương cho các cách cấp nguồn 9 Hình 6 Cấp ngu n b ng Microstrip line 10ồ ằHình 7 Cấu tạo cáp đồng tr c 10ụHình 8 Cấp ngu n b ng Aperture-coupling 11ồ ằHình 9 Cấp ngu n b ng Proximity coupling 12ồ ằHình 10 Đồ th bị ức xạ mẫu tạ ầi t n số 2.45 GHz 13 Hình 11 Anten đơn cực mạch in băng thông rộng s d ng trong thi t b IoT 14ử ụ ế ịHình 12 Các c u hình cấ ủa Anten đơn cực mạch in 14Hình 13 Phân cực của anten 16Hình 14 Các d ng b c x c a mạ ứ ạ ủ ột anten đơn cực m ch in trong c 2 m t ph ng ạ ả ặ ẳ

E và H ở m t s tr ng thái hoộ ố ạ ạt động khác nhau 18Hình 15 Anten đơn cực mạch in hình chữ nhật 19 Hình 16 Anten đơn cực mạch in d i 19ảHình 17 Anten đơn cực dải u n 20ốHình 18 Anten chữ Z 20 Hình 19 Anten đơn cực mạch in tròn 21 Hình 20 Mô hình thiết k 22ếHình 21 Mặt trên mô ph ng 24ỏHình 22 Mặt dưới mô ph ng 24ỏHình 23 Tiếp điện cho anten 25 Hình 24 Kết qu t i |S11| < -10dB 25ả ạHình 25 Mô hình 3D 26 Hình 26 Đồ th bị ức xạ mặt E (đường màu đỏ), H (đường màu xanh) 26

Hình 1 Anten đơn ự c c m ch in ạ

I GI I THI U Ớ Ệ

1 L ch s ị ử

Anten đơn cực m ch in b t ngu n t kho ng gi a th k XX v i s phát tri n c a công ạ ắ ồ ừ ả ữ ế ỷ ớ ự ể ủnghệ in và nhu cầu ngày càng tăng đố ới v i anten nhỏ gọn và nhẹ cho các ứng dụng khác nhau, ch ng hẳ ạn như hệ ố th ng liên lạc di động và vi sóng

Năm 1972, Munson và Howell đưa ra ý tưởng về ăng-ten mạch in, dẫn đến sự phát triển của anten đơn cực mạch in được thực hiện bởi King và Harrison vào năm 1974 Kể từ đó, ăng-ten đơn cực in đã trở thành m t lo i antộ ạ en được s d ng r ng rãi do nhử ụ ộ ững ưu điểm c a ủchúng, ch ng hẳ ạn như dễ tích h p v i b ng m ch in, c u hình th p và giá thành r V i s ợ ớ ả ạ ấ ấ ẻ ớ ựtiến bộ của công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng đối với anten tần số cao hơn và mức tăng cao hơn, việc thiết kế và phát triển ăng ten đơn cự- c mạch in vẫn tiếp tục phát triển

2 C u t o ấ ạ

Người ta đã quan sát thấy r ng b ng cách làm dày các nhánh cằ ằ ủa ăng ten lưỡng cực hoặc đơn cực, băng thông có thể được tăng lên Lý do tăng băng thông với việc mở rộng các nhánh của lưỡng cực hoặc đơn cực là do b n ch t c a phân b ả ấ ủ ố dòng điện, v n không còn d ng hình ố ở ạsin n a S phân bữ ự ố dòng điện đã đượ ửa đổ ủa các ăngc s i c -ten m rở ộng như vậy không làm thay đổi đáng kể d ng b c x cạ ứ ạ ủa ăng ten, nhưng nó ảnh hưởng đáng kể- đến tr ở kháng đầu vào Anten đơn cực mạch in mang bản chất của anten đơn cực sản suất theo công nghệ mạch

in (c u t o g n gi ng anten mấ ạ ầ ố ạch in) nhưng phần ground b c t xén, hị ắ ầu như không tương tác với miếng dẫn điện bên trên Gọi là đơn cực b i thay vì có 2 trở ục đố ứi x ng nhau qua nguồn, anten l i s d ng 1 ạ ử ụ đường là đường vi d i, ph n còn lả ầ ại là đất Để đạt được băng thông lớn,

Hình 2 Anten đơn cực m ch in th c tạ ự ế

nhánh c a vi dủ ải được m r ng ra ngoài mép c a m t ph ng nở ộ ủ ặ ẳ ền để ạo thành anten đơn cự t c in hình ch nh t, hình tròn ho c các hình khác tùy vào mữ ậ ặ ục đích sử ụ d ng

Cấu t o anten ạ đơn cực m ch in bao g m m t t m m ch in có hai m t (substrate), m t ạ ồ ộ ấ ạ ặ ộphần phát xạ gồm m t dây dộ ẫn được in trên mặt trước của tấm mạch (radiation patch) - với độdày t r t nh so v i ấ ỏ ớ bước sóng trong không gian t do ự 0 - được đặt trên m t phặ ẳng đất (ground plane) và cách m t phặ ẳng đất độ dày h r t nh so v i ấ ỏ ớ 0 (thông thường 0.003λ0 ≤ h ≤ 0.05λ0) Đối với t m radiation patch hình ch nh t, chiấ ữ ậ ều dài L thường có giá tr x p x /4, L càng l n ị ấ ỉ 0 ớtần s cố ắt dướ ủi c a anten c ng thả ấp và băng thông càng rộng; chi u r ng W nh ề ộ ả hưởng đến độrộng băng thông

Miếng vi d i patch và m t ground ả ặ được ngăn cách bởi m t tộ ấm điện môi (được g i là ch t ọ ấnền – subtrate) Có rất nhiều loại điện môi khác nhau có thể được sử dụng trong thiết kế anten đơn ự c c m ch in với h ng s ạ ẳ ố điện môi trong kho𝜀r ảng 2.2 ≤ 𝜀r ≤ 12 ( thường sử ụ d ng FR4) Chất điện môi có h ng s ằ ố điện môi càng nh s mang l i hi u su t tỏ ẽ ạ ệ ấ ốt hơn, cải thiện băng thông, trường liên k t b c x yếu ế ứ ạ nhưng yêu cầu kích thướ ớn Các ch t n n với h ng s c l ấ ề ằ ố điện môi cao hơn thường được dùng trong các mạch vi sóng vì chúng yêu cầu trường liên kết chặt đểgiảm thiểu bức x và k t n i không mong muạ ế ố ốn, đồng thời kích thước phần t ử cũng nhỏ hơn đi kèm với đó là hiệu su t thấ ấp và băng thông hẹp hơn

Các ph n t b c xầ ử ứ ạ và đường c p ngu n ấ ồ thường được quang kh c (photoetched) ắ trên đếđiện môi

Hình 3 C u t o anten ấ ạ đơn cực m ch inạ

Hình 4 Các hình d ng t m patchạ ấMiếng patch vi dải c a anten có thủ ể được ch tế ạo thành hình vuông, chữ nhật, dải mỏng (dipole), tròn, elip, tam giác ho c b t kì hình d ng nào khác tu vào yêu c u Anten ặ ấ ạ ỳ ầ đơn ự c c mạch in v i mi ng vi dài hình tròn, vuông, hình ch nh t là ph bi n nh t b i tính d ch t o, ớ ế ữ ậ ổ ế ấ ở ễ ế ạphân tích cũng như đặc tính bức xạ, đặc biệt là bức xạ phân c c chéo th p c a chúng ự ấ ủ

3 Phương pháp ấ c p ngu n ồ

Tương ự t như anten mạch in, có r t nhi u cách c p ngu n cho anten ấ ề ấ ồ đơn ự c c m ch in ạđượ ửc s dụng Trong đó phổ biến nhất đó là dùng đường dẫn vi d i (microstrip line)ả , cáp đồng trục (coaxial probe), ghép nối khe (aperture coupling), và ghép nối gần (proximity coupling)

Hình 5 Mạch tương đương cho các cách cấp nguồn3.1 Microstrip line

Đường d n vi d i c p ngu n n i vẫ ả ấ ồ ố ới t m vi dấ ải (patch) Đường dẫn này và t m patch c a ấ ủanten được đặt trên cùng một chất nền, ở phía dưới chất nền là mặt phẳng đất (ground plane)

Hình 6 C p ngu n b ng Microstrip lineấ ồ ằ

Ưu điểm của phương pháp này đó là nó rất dễ để chế tạo, đơn giản trong kết nối - bằng cách ki m soát vể ị trí đặt - và đơn giản trong thi t k mô hình ế ế Có th gi m nhiể ả ễu và tăng hiệu suất của anten, có thể sử dụng cho các anten đơn cực mạch in có kích thướ ớc l n và tần số làm việc cao, có thể tích h p v i các thành phợ ớ ần điện tử khác trên cùng một tấm vật liệu cách điện.Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khi tăng độ dày h c a ch t n n (subtrate), ủ ấ ề

có th gây ra s bi n d ng c a hình d ng b c x do hi u ng c nh cể ự ế ạ ủ ạ ứ ạ ệ ứ ạ ủa đường truy n vi d i, có ề ảthể gây ra sự suy giảm c a công suủ ất, khó khăn trong việc thiết kế và ph i h p tr kháng.ố ợ ở3.2 Coaxial probe

Sử dụng cáp đồng tr c ụ được s d ng rử ụ ộng rãi và là phương pháp cơ bản trong truy n t i ề ảcao t n Dây d n bên trong c a cáp sầ ẫ ủ ẽ được g n vào t m patch b c x trong khi v d n bên ắ ấ ứ ạ ỏ ẫngoài k t n i v i m t ground c a anten ế ố ớ ặ ủ

Hình 7 C u tấ ạo cáp đồng trục

Phương pháp này cũng khá đơn giản trong thi t k anten, d ch t o và k t nế ế ễ ế ạ ế ối, đồng thời bức x không mong mu n t ngu n th p D dàng ph i h p tr kháng ạ ố ừ ồ ấ ễ ố ợ ở ở u vào thông qua vi c đầ ệthay đổi vị trí cấp nguồn

Cấp ngu n bồ ằng cáp đồng trục có nhược điểm là có th gây ra nhi u và ể ễ ảnh hưởng đến

đặc tính b c x c a anten, có th gây ra s suy gi m c a công suứ ạ ủ ể ự ả ủ ất, khó khăn trong việc xác định điểm tiếp điện phù hợp

3.3 Aperture-coupling

Cả 2 cách c p ngu n bấ ồ ằng đường vi dải và cáp đồng trục đều làm cho anten mất đi tính

đối xứng Điều này tạo ra t o ra bức x phân cực chéo cho antenạ ạ Để khắc ph c m t s vụ ộ ố ấn đềnày, phương pháp cấp nguồn ghép khe không tiếp xúc (Aperture-coupling Patch – ACP) đã đượ ạc t o ra

Hình 8 C p ngu n b ng Aperture-couplingấ ồ ằPhương pháp này là khó chế tạo nhất trong cả bốn cách cấp nguồn thông dụng và băng thông đạt được cũng bị hạn ch Tuy nhiên, nó d ế ễ dàng hơn để mô hình hóa và có b c x ngu n ứ ạ ồđược cách li kh i mi ng patch ỏ ế

Phương pháp này bao gồm hai ch t nấ ền được ngăn cách bởi m t ground ặ đặt ở gi a ữ Ở m t ặdưới cùng c a ch t n n thủ ấ ề ấp hơn có một đường d n vi dẫ ải Năng lượng của đường dẫn này được dẫn t i tớ ấm patch thông qua một khe trên mặt ground ngăn cách hai chấ ền Sự sắp xếp này t ncho phép tối ưu hóa tính cách li gi a ngu n c p và ph n t b c x ữ ồ ấ ầ ử ứ ạ

Thông thường, vật liệu có hằng số điện môi cao được sử dụng cho chất nền phía dưới và vật liệu có hằng số điện môi thấp cho chất nền bên trên Mặt ground gi a các chữ ất nền cũng cách ly ngu n kh i ph n t b c x và gi m thi u nh ồ ỏ ầ ử ứ ạ ả ể ả hưởng c a b c x ngu n t i s hình thành ủ ứ ạ ồ ớ ự

đồ thị b c x và tính phân c c ứ ạ ự

Các h ng s ằ ố điện c a ch t nủ ấ ền, chi u rề ộng đường dẫn, kích thước và v trí c a khe có th ị ủ ểđượ ửc s dụng để ối ưu hóa thiết k , c t ế ải thiện băng thông Việc ph i h p tr kháng vố ợ ở ới đầu vào

thông thường được thực hiện thông qua thay đổi chiều rộng của đường dẫn phía dưới và chiều dài c a rãnh ủ

3.4 Proximity coupling

Cấu trúc anten phương pháp này gồm 2 lớp điện môi với độ dày l p trên lớ ớn hơn Tấm patch đặt ở trên cùng, đường dẫn cấp nguồn đặt ở giữa 2 lớp điện môi và dưới cùng là mặt ground

Hình 9 C p ngu n b ng Proximity couplingấ ồ ằPhương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện t V b n chừ ề ả ất, phương pháp

là ghép điện dung gi a tữ ấm patch và đường cấp nguồncó th gi m nhi u và không ể ả ễ ảnh hưởng đến đặc tính b c x c a anten, có th s dứ ạ ủ ể ử ụng cho các anten đơn cực mạch in có kích thước lớn

và t n s làm vi c cao, có thầ ố ệ ể tăng tính linh hoạt và tái c u hình c a anten bấ ủ ằng cách thay đổi khoảng cách ghép n i ố

Tuy nhiên phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất, có th gây ra s suy ể ựgiảm của công suất, khó khăn trong việc thiết kế và phối h p tr kháng, cợ ở ần sử dụng hai tấm

vật liệu cách điện khác nhau, có th gây ra hiể ệu ứng nhiễu chéo giữa các anten trong mảng

Chiều dài của đường dẫn và tỷ lệ chiều rộng miếng patch có thể được sử dụng để ểm soát kiphối h p tr kháng.ợ ở

4 Ưu Nhược điể - m Ứng dụng

• Dễ dàng cài đặt trên các bề mặt phẳng cũng như không phẳng

• Băng thông lớn và có tính b c x ứ ạđa hướng

• Có t n hao b c x th p và có th ổ ứ ạ ấ ể đượ ử ụng đểc s d bao ph nhi u d i t n s ủ ề ả ầ ố

• Dễ dàng điều ch nh theo tỉ ần số mong muốn

Hình đồ thị bức xạ của Anten đơn cực mạch in hình chữ nhật tại tần số 2.45Ghz

Lý thuy t : ế

Mô ph ng HFSS : - ỏ

4.2 Nhược điểm

Anten đơn cực m ch in có mạ ột vài điểm h n ch : ạ ế

• Bức x kém vì anten b c x theo nhiạ ứ ạ ều hướng

• Sự ph n x tín hi u có th do các v t kim lo i& mả ạ ệ ể ậ ạ ặt đất gây ra, vì v y có thậ ể nhận được

cả tín hiệu phân cực theo chiều dọc và chiều ngang

• Các ràng bu c v thi t k ộ ề ế ế và kích thước cần thi t cho m t ph ng nế ặ ẳ ối đất trong anten này thường bị h n ch ạ ế

• Mô hình b c x c a anten ch y u ph thuứ ạ ủ ủ ế ụ ộc vào hướng c a mủ ặt đất

4.3 ng d ng Ứ ụ

Anten m ch in là lo i anten ph bi n nh t v i nhi u ng d ng do l i th rõ ràng ạ ạ ổ ế ấ ớ ề ứ ụ ợ ế nhưtrọng lượng nhẹ, c u hình th p, chi phí th p, c u hình ph ng, d tuân th , ấ ấ ấ ấ ẳ ễ ủ tính di động vượt tr i ộAnten đơn cực được sử dụng trong nhiểu lĩnh vực khác nhau như khoa học vũ trụ, công nghệ radar, y sinh, nghiên cứu, v.v Anten đơn cực mạch in thường được s d ng làm anten c ng ử ụ ộhưởng trong đó thanh của anten này dao động như một bộ cộng hưởng mở, đặc biệt đối với

Hình 10 Đồ ị ứ th b c x m u t i t n s 2.45 GHz ạ ẫ ạ ầ ố

sóng vô tuyến & dao động qua các sóng đứng của dòng điện và điện áp d c theo chi u dài c a ọ ề ủ

nó

Anten đơn cực mạch in còn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây như điện thoại thông minh, bộ định tuyến Wi-fi và modern không dây để truyền và nhận tín hiệu

Ngoài ra, anten còn được sử dụng trong các thẻ và đầu đọc hệ thống RFID ( nhận dạng qua t n s vô tuyầ ố ến) để truy n và nh n d li u S d ng trong bề ậ ữ ệ ử ụ ộ thu GPS để nh n tín hi u v ậ ệ ệtinh S dử ụng trong ô tô và các phương tiện khác cho mục đích liên lạc và điều hướng

Hình 11 Anten đơn cực mạch in băng thông rộng s d ng trong thi t b IoT ử ụ ế ị

Có nhiều phương pháp giúp ta phân tích các nguyên lí của anten đươn cực mạch in, trong

đó có 3 cấu hình

Ở đây nguyên lý hoạt động cơ bản được minh họa d a trên m t anten mạch in hình ch ự ộ ữnhật, nhưng nó áp dụng giống cho các anten mạch in hình khác

1 C ấu hình trực giao

Mặt đất vuông góc với tấm vật liệu cách điện và chất điện môi Mặt đất có thể được

in trên m t t m vộ ấ ật liệu cách điện khác hoặc được gắn trên m t khung kim lo i, là phộ ạ ần ph n ả

xạ của Anten

Một l nh ỗ ỏđược khoan trên tấm vật liệu cách điện của miếng vi dải anten Lỗ nhỏ có kích thước và vị trí được thiết kế sao cho đảm bảo sự ghép nối tối ưu giữa đường truyền vi dải và miếng vi dải anten Lỗ nhỏ là phần ghép nối của anten Được tiếp điện bằng Coaxial Transmission Line

2 C ấu hình đường truy ền vi dải

Cấu hình microstrip line của anten đơn cực mạch in là m t loộ ại đường truyền vi d i ả

có hình d ng m t d i kim lo i hạ ộ ả ạ ẹp được in trên một tấm vật liệu cách điện, cách m t m t ộ ặ

đất kim lo i bởi m t lớp chạ ộ ất điện môi

Cấu hình microstrip line có ưu điểm là đơn giản và khả năng tương thích với công nghệ m ch in, khi n chúng d dàng s n xuạ ế ễ ả ất dưới dạng các ph n t c l p ho c các ph n ầ ử độ ậ ặ ầ

tử c a m ng C u hình microstrip line còn có kh ủ ả ấ ả năng ghép nố ới anten đơn cựi v c mạch

in qua m t l nh ộ ỗ ỏ được khoan trên t m v t li u ấ ậ ệ cách điện c a mi ng vi d i anten.ủ ế ả

Anten đơn cực mạch in là một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng cần có băng thông lớn và hi u su t cao ệ ấ

3 Điện trở đầu vào cộng hưởng

Điện trở u vào cđầ ộng hưởng thì không phụ thuộc vào độ dày h của ch t n n tr khi h ấ ề ừnhỏ (khi đó độ ến thiên chủ yếu là do tổn thất ch bi ất điện môi và chất dẫn)

Điện trở u vào c ng h ng tỉ l với đầ ộ ưở ệ r

Điện trở u vào cđầ ộng hưởng thì được điều chỉnh tr c ti p bởi vị trí cự ế ủa điểm cấp điện (lớn nhất các mở ặt cạnh x = 0 hoặc x = L, bằng 0 trung tâm cở ủa patch)

-

Ta tính được