bài tập lớn của sinh viên chuyên đề quản l anten vi dải chữ nhật

Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vànhkhuyên.Các dạng anten vi dải thông dụngMột số ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

BÀI TẬP LỚN CỦA SINH VIÊN

NĂM HỌC 2022-2023 CHUYÊN ĐỀ: QUẢN L- ANTEN VI DẢI CHỮ NHẬT

NGUYỄN NGỌC HƯNG NGUYỄN BÁ CHIẾN NGUYỄN LÊ HUY TRẦN TRỌNG HIẾU

Hà Nội,11/2022

M c l c ụ ụ PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI

1 Giới thiệu về vi dải( Microstrip Antenna)

2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải

3 Một số loại anten vi dải thông dụng

1 Anten patch vi dải

2 Anten khe mạch in

3 Anten vi dải lưỡng cực

4 Anten patch hình chữ nhật

5 Nguyên lý bức xạ anten vi dải

PHẦN 2: PHÂN T-CH PHƯƠNG PHÁP T-NH TOÁN VÀ THIẾT

KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RÔNG

1 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế anten

1 Ảnh hưởng của các thông số chất nền

2 Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp

3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hơp

2 Phương pháp thiết kế anten cơ bản

PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI

1 Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna)

Các khái niệm đầu tiên về anten vi dải được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955 Nhưng phải

20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo

Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch (mặt bức xạ) rất mỏng với bề dày t<< : bước sóng không gian tự do nằm trên Dielectirc Substrate (lớp chất nền điện môi) có <=10 , phía đối diện với patch là Ground Plane (mặt phẳng đất) Patch là vật dẫn điện, thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ

Anten vi dải và hệ trục tọa độ

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên

Các dạng anten vi dải thông dụng

Một số ứng dụng của anten vi dải:

Các anten dùng trong thông tin vô tuyến

Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ

Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị

Vũ khí thông minh

Sử dụng cho GSM hay GPS

2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải

Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten vi sóng thông thường

và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số 100MHz-100GHz

- Anten vi dải có các ưu điểm:

Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng.

Chí phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt

Phân cực tuyến tính và phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn giản

Anten hoạt động ở nhiều tần số kép và anten phân cực kép có thể thực hiện dễ dàng

Có thể dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp vi sóng

Các đường tiếp điện và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể được cùng thiết kế trên một cấu trúc anten

Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng

Tương thích với các thiết bị di động

- Nhược điểm của anten vi dải:

Có băng thông hẹp.

Độ lợi thấp (thường nhỏ hơn 10 dB).

Suy hao lớn trong cấu trúc tiếp điện của các anten mảng.

Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất Khả năng tản nhiệt của anten vi dải kém.

Các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các mối nối còn khá nhiều Khả năng điều khiển điện áp thấp.

Độ lợi và hiệu suất giảm, mức độ phân cực chéo cao với anten mảng ở tần số cao Xuất hiện sóng bề mặt.

3 Một số loại anten vi dải thông dụng

1 Anten patch vi dải

Anten patch vi dải

Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó, anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vuông, chữ nhật, tròn, ) nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình chữ nhật và hình tròn là hai dạng thông dụng và được sử dụng rộng rãi

Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải

2 Anten khe mạch in

Các hình dạng anten khe mạch in

3 Anten vi dải lưỡng cực

Anten vi dải lưỡng cực

4 Anten patch hình chữ nhật

Anten patch hình chữ nhật là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải Phần tiếp điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra khỏi patch

Anten patch hình chữ nhật

a Phân bố trường ở mode cơ bản

b Phân bố dòng trên bề mặt patch

c Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (Z) theo chiều dài patch Hình a, điện trường bằng không ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten Điện trường mở rộng ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi- không khí Thành phần điện trường mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò Do đó, mode cơ bản khi

sử dụng lý thuyết hóc cộng hưởng là mode TM 10

Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn TM tượng trung cho phân bố từ trường ngang, có 3 thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và y trong hệ tọa độ Đề các, trục x và y song song với mặt phẳng đất, trục z vuông góc với mặt phẳng đất Giá trị z hầu như bị bỏ qua

do sự biến đổi của điện trường theo trục z coi như không đáng kể Do đó, kí hiệu TM chỉ sự biến đổi của trường theo hướng x và y, sự biến đổi củanm

trường theo hướng y không đáng kể nên m=0, trường biến đổi chủ yếu theo hướng x nên ở mode cơ bản n=1

Hình b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải, trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải Từ biên độ của dòng áp ta có thể tìm được trở kháng Trở kháng đạt cực tieru ở giữa patch và cực đại ở gần hai cạnh

Có một điểm nằm ở vị trí dọc theo trục x tại đó trở kháng là 50 Ohm ta có thể đặt tiếp điện tại đó

5 Nguyên lý bức xạ anten vi dải

E - plane (θ=90°, 0°≤ϕ≤90°, 270≤ϕ≤360°)

Đối với anten vi dải, mặt phẳng x-y θ=90°, 0°≤ϕ≤90°, (

270≤ϕ≤360°) là mặt phẳng I chính và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở công thức trên trở thành:

Et+j2V0k0We−jk0rπrsinθsink0h2cosθk0h2cosθcosk0Le2

H - plane ϕ= 90°, 0°≤θ≤180°

Mặt phẳng H chính của anten vi dải là mặt phẳng x-z ϕ= 90°, (

0°≤θ≤180°) và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở (1.35) trở thành :

Et+jk0WV0e−jk0rπrsinθsink0h2cosθk0h2sinθsink0W2cosθk0W

2cosθ

6 Nguyên lý bức xạ anten vi dải

Băng thông của anten vi dải

Độ rộng băng thông của anten mạch dải là khoảng tần số mà ở đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định Độ rộng băng thông (BW) thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên khoảng tần số nào đó Thường các anten vi dải dùng trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1

BW=

Trong đó: VSWR là tỉ số sóng đứng.

QT là hệ số phẩm chất của anten vi dải

QT = Năng lượng được tích trữ Năng lượng

Theo công thức, BW tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q của anten Vì T

vậy, để tăng băng thông ta có thể làm giảm hệ số phẩm chất Q Ta có thể thay T

đổi chiều dày lớp điện môi cũng như hằng số điện môi để có thể đạt được hệ số phẩm chất mong muốn

Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn

vì khi t ≥ 0,1�0 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten NănglượngđượctíchtrữNănglượngmấtmát

Phân cực của anten vi dải

Anten vi dải có thể được chế tạo để nhận được trường bức xạ phân cực thẳng

và phân cực quay Phân cực thẳng sẽ nhận được khi điểm tiếp điện được đặt vào giữa một cạnh của tấm patch

Độ định hướng của anten vi dải

Độ định hướng của anten vi dải là một trong những hệ số chất lượng quan trọng đối với mỗi loại anten:

D0=UmaxU0=4πUmax

Trong đó: P là công suất bức xạ.rad

Umax là mật độ bức xạ lớn nhất

Phần 2: PHÂN T-CH PHƯƠNG PHÁP T-NH TOÁN VÀ THIẾT

KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG

1 Ảnh hưởng của các thông số chất nền

Hệ số phẩm chất Q tỉ lệ nghịch với băng thông trở kháng, vì vậy có thể thayT

đổi các tham số của chất nền để đạt được hệ số Q mong muốn như thay đổi hằng T

số điện môi và độ dày của chất nền h Theo công thức 1-38 thì:r

QT = Năng lượng được tích trữ Năng lượng mất mát

Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở kháng

2 Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp

Có một số hình dạng patch có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng khác, tương ứng băng thông của anten có hình dạng đó sẽ cao hơn Các hình dạng patch này gồm có: hình vành khuyên, hình tròn, hình chữ nhật/ hình vuông, patch sóng ngắn và các hình dạng cầu khác Từ bảng ta thấy được băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng lên với sự gia tăng chiều rộng của patch

Bảng 1 Bảng so sánh băng thông của các hình dạng patch tại VSWR=2

Hình dạng patch Kích thước patch (cm) Băng thông (%) Hình chữ nhật hẹp L=4.924, W=2.0 0.7

Hình chữ nhật rộng L=4.79, W=7.2 1.6

Hình chữ nhật ¼ bước

sóng

L=2.462, W=2.0 1.05

3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp

Lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế anten Có nhiều kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải như: tiếp điện bằng đường truyền vi dải, bằng đầu dò, ghép khe patch với một đường vi dải đã được nghiên cứu ở chương trước.Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải

có ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm : dễ thực hiện vì patch có thể được xem là một đường truyền vi dải

hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch

Nhược điểm: sẽ xuất hiện sự phát xạ không mong muốn nếu kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch Để giảm bớt hạn chế trên và để có phối hợp trở kháng giữa feed line và patch ta sử dụng hai cách:

- Chọn điểm có trở kháng bằng với trở kháng của đường vi dải bằng cách cắt vào tấm patch một khoảng y0.

- Dùng bộ chuyển đổi trở kháng dùng các đoạn đường vi dải có chiều dài /4 để�

có thẻ điều chỉnh trở kháng vào thích hợp

II Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản

Thiết kế thành phần bức xạ

Tính toán kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo công thức sau:

Chiều dài của miếng patch

Hằng số điện môi hiệu dụng của patch tính bởi:

Chiều dài mở rộng của miếng patch :

Chiều dài thật của miếng patch:

S d ng Txline đ tnh toán, thiếết kếế dây vi d i:ử ụ ể ả

Tài li u tham kh o ệ ả Thầy Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư, Truyền Sóng Và Anten, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM

Thầy Nguyễn Việt Hưng, Giảng viên bộ môn Vô Tuyến, Khoa Viễn Thông 1, Trường Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Phâần kếết lu n ậ

Do còn ít kinh nghiệm và kiến thức nên chúng tôi vẫn còn nhiều thiết sót Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và các bạn để đề tài của chúng tôi có nhiều cải thiện trong tương lai

Xin chân thành cảm ơn!

Nhi m v và tên t ng thành viên ệ ụ ừ

Nguyễn Văn An 201403864 Thiết kế Anten

Nguyễn Ngọc Hưng 201405379 Viết báo cáo

Nguyễn Lê Huy 201403972 Làm Powerpoint

Nguyễn Bá Chiến 201413878 Thiết kế mạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày tháng 11 năm 2022 (ký tến)

H và tến ọ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN DUYỆT

Ngày tháng 11 năm 2022 (ký tến)

H và tến ọ