báo cáo bài tập lớn anten truyền sóng đề tài thiết kế anten vi dải băng thông rộng và cấu hình thấp sử dụng cấu trúc lai dải khe

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚNANTEN & TRUYỀN SÓNGĐề tài: Thiết kế Anten Vi Dải Băng Thông Rộng Và Cấu HìnhThấp Sử Dụng Cấu Trúc Lai Dải-Khe... Tuy nhiên

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ANTEN & TRUYỀN SÓNG

Đề tài: Thiết kế Anten Vi Dải Băng Thông Rộng Và Cấu Hình

Thấp Sử Dụng Cấu Trúc Lai Dải-Khe

Mã lớp: 137253

Giảng viên hướng dẫn: TS Phan Xuân Vũ

Nhóm sinh viên thực hiện:

Hà Nội, Tháng 2 năm 2023

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

II QUY TRÌNH THIẾT KẾ 2

1 Cấu Trúc 2

2 Yêu Cầu Thiết Kế 4

III Thiết Kế Ăng-Ten Bằng Phần Mềm Mô Phỏng HFSS 5

1 Thông Số Kỹ Thuật 5

2 Cài Đặt Mô Phỏng 6

3 Kết Quả Thu Được 8

4 Tối Ưu Ăng-ten 11

4.1 Tối ưu thông số Wp 11

4.2 Tối ưu thông số cut 13

IV HOẠT ĐỘNG NHÓM 16

V KẾT LUẬN 17

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Khi sự phát triển nhanh chóng của truyền thông không dây, Anten vi dải thường được ứng dụng trong nhiều trong thiết bị truyền thông vì những ưu điểm rõ ràng của

nó, ví dụ như chi phí sản xuất thấp, chế tạo dễ dàng và cấu hình thấp Tuy nhiên, hạn chế chính của anten vi dải truyền thống là băng thông trở kháng hẹp (thường dưới 3% với hệ số phản xạ thấp hơn -10 dB) Đối với các dịch vụ truyền thông không dây băng rộng khác nhau, một số kỹ thuật tăng cường băng thông dựa trên ăng ten vi dải đã được nghiên cứu và xác minh Với mục đích cải thiện băng thông trở kháng của ăng-ten vi dải truyền thống, một ăng-ăng-ten vi dải băng rộng cấu hình thấp với cấu trúc lai dải-khe được đề xuất Cấu trúc lai dải-khe bao gồm bốn dải và ba khe hẹp Một đường cấp nguồn vi dải hình chữ Y được đưa vào để cấp nguồn cho ăng-ten này thông qua một lỗ nối trên mặt đất Bằng cách tối ưu hóa kích thước của dải và khe, chế độ TM10

và chế độ TM20 phản pha được kích thích và kết hợp với nhau để tăng cường băng thông trở kháng lên đến 41% với cấu hình thấp 0,06λ0 Cấu trúc lai giữa dải-khe được

đề xuất được mô phỏng một cách có hệ thống bằng phần mềm mô phỏng toàn sóng của Bộ mô phỏng cấu trúc tần số cao (HFSS) và được xác thực bằng thực nghiệm

1

II QUY TRÌNH THIẾT KẾ

1 Cấu Trúc

Ăng-ten có cấu trúc ba lớp: miếng phát xạ ở lớp trên cùng, mặt phẳng nối đất với ở giữa và cấu trúc cấp liệu hình chữ Y ở lớp dưới cùng Giữa ba lớp kim loại là hai lớp điện môi có cùng độ điện môi tương đối ε0 là 3,38 và tổn hao tiếp tuyến δ là 0,0027

Miếng phát xạ có cấu trúc lai dải-khe, bao gồm bốn dải giống hệt nhau được sắp xếp theo thứ tự với ba khe hẹp giữa mỗi hai dải liền kề Chiều dài và chiều rộng của mỗi dải là Wp và w, và các khe có cùng chiều rộng là g Lỗ khớp nối được cắt trên mặt phẳng nền và được đặt bên dưới và song song với rãnh chính giữa trên lớp trên cùng Kích thước của khẩu độ khớp nối là Ls×Ws

Cấu trúc nạp vi dải hình chữ Y 50-Ω được in trên lớp dưới của lớp điện môi dưới cùng và nó được đối xứng qua trục x Đường cấp vi dải này bao gồm hai phần: phần thẳng có chiều rộng Wms và hai phần nhánh có chiều rộng bằng nhau Wms2 Độ dài của đoạn thẳng là Lwave Đầu cuối của phần cánh tay có phương thẳng đứng cách trục y một khoảng s Và khoảng cách giữa hai cánh tay là W

3

Đây là bảng kích thước tối ưu của anten được đề xuất (Đơn vị: mm)

2 Yêu Cầu Thiết Kế

- Ăng-ten hoạt động tốt ở dải tần số 4.37-6.55Ghz, Gain nằm trong khoảng 7.52 đến 10.89 dBi và hiệu suất ăng-ten trên 85%

- Ăng-ten cộng hưởng tại 3 tần số 4.7Ghz, 5.5Ghz và 6.3Ghz

- Phối hợp trở kháng

III Thiết Kế Ăng-Ten Bằng Phần Mềm Mô Phỏng HFSS

1 Thông Số Kỹ Thuật

Hai tấm điện môi được đề xuất có hệ số điện môi tương đối là 3.38 và hệ số tổn hao tiếp tuyến là 0.0027 nên chúng em sử dụng vật liệu Arlon 25N ™ với hệ số điện tương tương đối là 3.38 và hệ số tổn hao tiếp tuyến là 0.0025

Hình ảnh Model Anten được mô phỏng trong phần mềm HFSS

5

Bảng thông số của Model Bảng thông số để có thể mô phỏng được ăng-ten khá giống với các thông số được

đề xuất trong bài báo ngoại trừ thông số “cut” được chúng em khai báo thêm do trong bài báo không tiết lộ thông số này Cut là chiều dài tạo nên hình vát ở cấu trúc hình

2 Cài Đặt Mô Phỏng

Thiết lập Boundary

Tạo Boundary với kích thước như hình ảnh với vật liệu là “Air”

Thiết lập Analysis

Solution Frequency: tại tần số trung tâm 5.5Ghz

7

Thêm Frequency Sweep: Start tại 4Ghz, dừng tại 7Ghz với bước nhảy 0.1Ghz

3 Kết Quả Thu Được

Sau khi thiết lập các thông số, công cụ cần thiết chúng em đã cho chạy phân tích

và thu được kết quả như sau:

Đồ Thị S(1,1)

Hình ảnh đồ thị S(1,1)

Hình ảnh đồ thị S(1,1) của bài báo Đánh giá:

- Dải tần hoạt động từ 4.41-6.54Ghz gần với kết quả 4.37-6.55Ghz của bài báo -> Đạt yêu cầu

- Ăng-ten đạt tần số cộng hưởng tại 4.7Ghz (-17.25dB) và 6.2Ghz (-31.66dB) so với 3 tần số cộng hưởng 4.7Ghz, 5.5Ghz và 6.3Ghz của bài báo -> Chưa đạt yêu cầu

9

Cần phải tối ưu để đạt kết quả như mong muốn.

Đồ thị 3D phương hướng bức xạ

Đánh giá:

- Ăng-ten bức xạ mạnh nhất theo chiều dương trục Z

- Gain tối đa 10.03dB

Đồ thị phối hợp trở kháng

Đồ thị 2D của Gain và Directivity

Đánh giá:

- Đường Gain và Directivity trùng nhau nên hiệu suất bức xạ khá tốt

4 Tối Ưu Ăng-ten

4.1 Tối ưu thông số Wp

Phân tích Ăng-ten khi điều chỉnh thông số Wp từ 35mm đến 45mm với bước nhảy 1mm

11

Đồ thị S(1,1)

4.2 Tối ưu thông số cut

Phân tích Ăng-ten khi điều chỉnh thông số cut từ 0.5mm đến 2.0mm với bước nhảy 0.1mm

Kết quả thu được:

Đánh giá:

13

- Có sự thay đổi của các điểm cộng hưởng

- Dải tần thay đổi nhẹ

Lựa chọn cut = 0.8mm

Đồ thị S(1,1)

Đánh giá:

- Ăng-ten hoạt động ở dải tần 4.37-6.52Ghz so với 4.41-6.54Ghz trước khi tối ưu

và so với 4.37Ghz-6.55Ghz của bài báo -> Kết quả chấp nhận được

- Ăng-ten đạt tần số cộng hưởng tại 4.7Ghz (-16.90dB), 5.6Ghz (-24.36dB) và 6.3Ghz (-19.58dB) so với 3 tần số cộng hưởng 4.7Ghz, 5.5Ghz và 6.3Ghz của bài báo -> Đạt yêu cầu

Đồ thị 3D phương hướng bức xạ

- Ăng-ten bức xạ mạnh nhất theo chiều dương trục Z

- Gain tối đa 10.03dB

Không thay đổi so với trước khi tối ưu

Đồ thị phối hợp trở kháng:

Đánh giá:

- Tại các tần số cộng hưởng thì phối hợp trở kháng chưa được tốt

Đồ thị 2D của Gain và Directivity

Đánh giá:

- Đường Gain và Directivity gần như trùng nhau nên hiệu suất bức xạ khá tốt

15

IV HOẠT ĐỘNG NHÓM

Phân công công việc từng thành viên trong nhóm

Họ và tên Mã số sinh viên Công việc thực hiện

Vũ Đức Thịnh 20200617 Thực hiện tối ưu Ăng-ten Trần Hải Nam 20203745 Vẽ Model Ăng-ten Nguyễn Ngân Hằng 20203700 Làm báo cáo

V KẾT LUẬN

Qua các kết quả mô phỏng đạt được ta thấy rằng anten là một hệ thống phức tạp Cần phải điều chỉnh các thông số sao cho phù hợp để có được bức xạ tốt nhất, số bức

xạ phụ nhỏ thì anten thu sẽ thu được tín hiệu tốt Qua bài tập này chúng em đã biết thêm về cách sử dụng phần mềm HFSS để mô phỏng một anten từ cách thiết kế cho đến cách cài đặt sao cho phù hợp với mục tiêu đề ra Đây thực sự là một trải nghiệm thú vị và bài học bổ ích đối với chúng em Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Xuân Vũ đã giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tập lớn này

17