báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài thiết kế anten đơn cực mạch in

Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệđịnh hướng thành sống điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại.Anten và đường dây dẫn đống vai trò là thiết bị

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ANTEN ĐƠN CỰC MẠCH IN

Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Sơn Xuất

TS Đoàn Thị Ngọc Hiền

Mã lớp học: 137255

Nhóm sinh viên: 10

ST

Hà Nội, tháng 02 năm 2023

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

NỘI DUNG 5

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐƠN CỰC MẠCH IN 5

1 Giới thiệu anten 5

1.1 Khái niệm 5

1.2 Quá trình vật lý của bức xạ sóng điện từ 5

1.3 Các thông số cơ bản của anten 6

2 Anten đơn cực mạch in 7

2.1 Lịch sử 7

2.2 Cấu tạo 7

2.3 Nguyên lí bức xạ 9

2.4 Băng thông 10

2.5 Các cấu hình của anten đơn cực mạch in (PMA) 10

2.6 Ứng dụng 11

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ ANTEN ĐƠN CỰC MẠCH IN 13

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Một số hình ảnh thực tế của anten đơn cực mạch in 7

Hình 2: Cấu tạo của anten đơn cực mạch in 8

Hình 3: Dạng bức xạ của anten đơn cực mạch in hình chữ nhật ở tần số 2.45GHz 9

Hình 4: Hình ảnh của anten đơn cực mạch in (mặt top) 10

Hình 5: Hình ảnh của anten đơn cực mạch in (mặt bottom) 13

Hình 6: Chân source của anten đơn cực mạch in 14

Hình 7: Cấu trúc 3D hoàn thiện của anten đơn cực mạch in 14

Hình 8: Đồ thị S(1,1) 15

Hình 9: Đồ thị phương hướng 3D 15

Hình 10: Đồ thị phương hướng 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Thông số của Anten mô phỏng 7

Bảng 2: Bảng phân chia công việc 8

3

LỜI NÓI ĐẦU

Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thông không dây Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành sống điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại Anten và đường dây dẫn đống vai trò là thiết bị ghép giữ các mạch điện tử và không gian tự do, đường dây dẫn là bộ phân giao tiếp gữa anten và mạch điện

tử Ngõ vào của đường dây dẫn phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn anten phất nhận năng lương từ máy phát qua đường dây dẫn và bức xạ không gian Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu đối với anten còn phái đáp ứng vê độ lợi

và phương hướng bức xạ

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau và cùng với sự phát triển mạnh

mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động và xu hướng của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng thì anten đơn cực mạch in ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Đặc điểm nổi bật của anten này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, và được biệt là dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Những đặc điểm trên đã giúp anten đơn cực mạch in được quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai

và hiện tại nó được sử dụng rất rộng rãi

Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Tạ Sơn Xuất và cô Đoàn Thị Ngọc Hiền đã giao đề tài và giúp đỡ em hoàn thiện bài tập này Trong quá trình thực hiện, chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị khóa trước đã giúp đỡ rất nhiều trong việc hoàn thiện bài tập lớn về kiến thức cũng như trang thiết bị phục vụ nghiên cứu Tuy việc tìm hiểu, phân tích và mô phỏng đã đạt được những kết quả nhất định nhưng chắc rằng không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý thầy Em xin chân thành cảm ơn

NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN ĐƠN CỰC MẠCH IN

1 Giới thiệu anten

1.1 Khái niệm

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng,… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến) Cách truyền này tuy có

độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xâydựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vậy cần phải có một thiết

bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Chính loại thiết bị này được gọi là anten

Anten là thiết bị quan trọng thiết yếu của hệ thống truyền thông, được thiết kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ Anten có thể xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào (cáp đồng, ống dẫn sóng hay sợi quang)

Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thóng, trong đó chủ yếu nhât là hệ thống bức xạ hoặc cảm thu sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tiwr bức xạ với các yêu cầu khác nhau (phát), hoặc hệ thống gia công tín hiêu (thu)

1.2 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

6

Anten hoạt động dựa trên hiện tượng bức xạ sóng điện từ và ta có thể hiểu như sau:

Về nguyên lý, bất kì hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sôngd điện từ, tuy nhiên trong thực tế sực bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trunng LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện từ trường biến thiên Nhưng điện

từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị gioié hạn trong khoảng không gian tụ điện, còn năng luọng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạp ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền đi với vận tốc ánh sáng Khi đạt được khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là đường sức sẽ không ràng buộc với điện tích của hai má tụ nữa

mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo quy luật của điện trường biên thiên thì điện trường xoáy Theo quy luậnt của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi và từ trường biến đổi tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

1.3 Các thông số cơ bản của anten

-Trở kháng vào

-Hiệu suất

-Hệ số định hướng và độ tăng ích

-Đồ thị phương hướng

2 Anten đơn cực mạch in

2.1 Lịch sử

Ăng-ten đơn cực mạch in bắt nguồn từ khoảng giữa thế kỷ 20 với sự phát triển của công nghệ in và nhu cầu ngày càng tăng đối với ăng-ten nhỏ gọn và nhẹ cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như hệ thống 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 ăng-ten đơn cực mạch in được thực hiện bởi King và Harrison vào năm 1974 Kể từ đó, ten đơn cực in đã trở thành một loại ăng-ten được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm của chúng, chẳng hạn như dễ tích hợp với bảng mạch in, cấu hình thấp và giá thành rẻ

Với sự tiến bộ của công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng đối với ăng-ten tần số cao hơn và mức tăng cao hơn, việc thiết kế và phát triển ăng-ten đơn cực mạch in vẫn tiếp tục phát triển

Hình 1: Một số hình ảnh thực tế của anten đơn cực mạch in

2.2 Cấu tạo

Người ta đã quan sát thấy rằng bằng cách làm dày các nhánh của 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 bản chất của phân bố dòng điện, vốn không còn ở dạng hình sin nữa Sự phân bố dòng

8

điện đã được sửa đổi của các ăng-ten mở rộng như vậy không làm thay đổi đáng

kể dạng bức xạ của ăng-ten, nhưng nó ảnh hưởng đáng kể đến trở kháng đầu vào

Anten đơn cực mạch in mang bản chất của anten đơn cực sản suất theo công nghệ mạch in (cấu tạo gần giống anten mạch in) nhưng phần ground bị cắt xén, hầu như không tương tác với miếng dẫn điện bên trên Gọi là đơn cực bởi thay vì có 2 trục đối xứng nhau qua nguồn, anten lại sử dụng 1 cánh tay là đường vi dải, phần còn lại là đất Để đạt được băng thông lớn, nhánh của vi dải được mở rộng ra ngoài mép của mặt phẳng nền để tạo thành anten đơn cực in hình chữ nhật

Hình 2: Cấu tạo của anten đơn cực mạch in

Trong đó:

• W0 và L0 lần lượt là chiều dài và chiều rộng của anten;

• L và W là chiều dài và chiều rộng của miếng vá;

• Lg và Wg lần lượt là chiều dài và chiều rộng của tương ứng là mặt phẳng nền bị cắt cụt;

• Wf là chiều rộng của đường truyền;

• G là khoảng cách giữa miếng và mặt phẳng nền;

• h là độ dày của chất nền;

• Để đạt được kết hợp trở kháng tốt hơn, có thể chèn 1 khe cắm trên đỉnh mặt phẳng đất, chiều dài và chiều rộng nó được kí hiệu lâng lượt là Ls và Ws

Trong đó f là tần số thiết kế, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, là hằngr ԑr

số điện môi của chất nền, h là độ dày của chất nền

2.3 Nguyên lý bức xạ

Đồ thị bức xạ của anten là hàm toán học hoặc đồ thị biểu diễn đặc tính bức xạ của một anten, có thể biểu diễn độ lớn của trường hay cường độ trường,

là hàm toán học của các tọa độ không gian, thông thường là vùng không gian trường xa chỉ có θ, thay đổi theo tần số �

Bức xạ điện tử ở trường khu xa của anten đơn cực mạch in:

10

Hình 3: Dạng bức xạ của anten đơn cực mạch in hình chữ nhật ở tần số 2.45GHz

Từ đồ thị có thể thấy anten đơn cực mạch in là anten bức xạ đa hướng Đây cũng

là một đặc tính quan trọng giúp cho anten đơn cực mạch in được ứng dụng nhiều hiện nay

2.4 Băng thông

Với các anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của

sự sai khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới) so với tần số trung tâm

Với anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được

Anten đơn cực mạch in có băng thông rộng hơn so với ăng-ten đơn cực truyền thống

Ăng-ten đơn cực mạch in thường được sử dụng trong các hệ thống di động, cung cấp dải tần rộng và tính toàn vẹn của tín hiệu được cải thiện Ăng-ten cũng được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây, cũng như trong các ứng dụng radar và vệ tinh, nơi cần có hiệu suất cao và băng thông rộng

Ăng-ten đơn cực mạch in là một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng cần

có băng thông lớn và hiệu suất cao

2.5 Các cấu hình của anten đơn cực mạch in ( PMA)

Hình 4: Cấu hình của anten đơn cực mạch in

Trong cấu hình đầu tiên của PMA (hình a), mặt phẳng đất trực giao với cả

2 miếng vá cũng như chất điện môi, sự kích thích được cung cấp bởi đường truyền đồng trục 50Ω

Cấu hình thứ 2 là PMA được cấp dòng vi dải (hình b), trong đó bản vá được kích thích qua dòng microtrip 50Ω Cả miếng vá và đường microtrip đều nằm trên một mặt của chất điện môi

Cấu hình thứ 3: Là ống dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide) được cung cấp PMA (hình c), trong đó mặt đất và miếng vá nằm trên cùng 1 phía của chất điện môi trong khi bên kia của điện môi được hỗ trợ bởi không gian trống

Cấu hình đầu tiên không phổ biến lắm như anten của thiết bị cầm tay không dây vì khả năng tương thích với các kích thước Cấu hình thứ 2 và thứ 3 là cấu trúc anten mạch in thuận lợi hơn Các câu hình này đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng băng siêu rộng

2.6 Ứng dụng

Ăng-ten đơn cực mạch in được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau do kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và dễ tích hợp với các thiết bị khác Một số ứng dụng phổ biến của ăng-ten đơn cực in bao gồm:

12

Hệ thống thông tin liên lạc không dây: Những ăng-ten này thường được

sử dụng trong các thiết bị không dây như điện thoại thông minh, bộ định tuyến Wi-Fi và modem không dây để truyền và nhận tín hiệu

Các hệ thống RFID (Nhận dạng qua tần số vô tuyến): Ăng-ten đơn cực in được sử dụng trong các thẻ và đầu đọc RFID để truyền và nhận dữ liệu Thiết bị GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu): Những ăng-ten này được sử dụng trong bộ thu GPS để nhận tín hiệu vệ tinh

Hệ thống ô tô và giao thông vận tải: Ăng-ten đơn cực in được sử dụng trong ô tô và các phương tiện khác cho mục đích liên lạc và điều hướng Thiết bị y tế: Những ăng-ten này được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy theo dõi nhịp tim và thiết bị đeo được để liên lạc không dây

Thiết bị IoT (Internet vạn vật): Ăng-ten đơn cực in được sử dụng trong các thiết bị IoT để liên lạc không dây và truyền dữ liệu

Nhìn chung, ăng-ten đơn cực mạch in được sử dụng trong nhiều ứng dụng trong

đó kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và dễ tích hợp là những cân nhắc quan trọng

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ANTEN ĐƠN CỰC MẠCH IN

Yêu cầu: Sử dụng phần mềm ANSYS Electronic Destop thiết kế 1 anten đơn cực phẳng với băng thông>20% cho |S11|<-10 dB

Bảng 1: Thông số của anten mô phỏng

Hình 5: Hình ảnh của anten đơn cực mạch in (mặt top)

14

Hình 6: Hình ảnh của anten đơn cực mạch in (mặt bottom)

Hình 7: Chân source của anten đơn cực mạch in

Hình 8: Cấu trúc 3D hoàn thiện của anten đơn cực mạch in

Hình 9: Đồ thị S(1,1)

Hình trên là đồ thị hệ số phản xạ theo đơn vị dB Hệ số phản xạ tại tần số hoạt động 3.5GHz đạt |S11| = -21.482 dB Băng thông làm cho S11 <-10dB là 2.84GHz đến 5.24GHz, ta có hiệu suất:

lớn hơn nhiều so với điều kiện đề bài đưa ra

Hình 10: Đồ thị phương hướng 3D

Từ đồ thị phương hướng 3D có thể thấy anten đơn cực mạch in là anten bức xạ

đa hướng Đây cũng là một đặc tính quan trọng giúp cho anten đơn cực mạch in được ứng dụng nhiều hiện nay

Hình 11: Đồ thị phương hướng

16

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC

1 Nguyễn Vũ Trọng Tuấn 20203633 Tìm hiểu ứng dụng

2 Nguyễn Văn Tuấn 20203632 Tìm hiểu đặc tính

3 Hoàng Quốc Việt 20203782 Tìm hiểu lịch sử

9 Trương Thị Yến 20200681 Thuyết trình, làm báo cáo

Bảng 2: Bảng phân chia công việc

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] GS.TSKH.PHAN ANH (2007) Lý thuyết và kỹ thuật anten, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

[2] TS.TẠ SƠN XUẤT Giáo trình Anten và truyền sóng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

[3] CONSTANTINE A BALANIS Antenna Theory_Analysis and Design, 3 rd

Edition

[4] Slide bài giảng của TS Tạ Sơn Xuất

19