báo cáo nội dung bài tập lớn môn lý thuyết anten và truyền sóng đề tài tìm hiểu về anten vi dải

KHOA ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO NỘI DUNG

BÀI TẬP LỚN MÔN LÝ THUYẾT ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

ĐỀ TÀI: Tìm hiểu về Anten vi dải

Giảng viên hướng dẫn: ThS Bùi Thị Thu Hiền

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 12 Mã lớp học phần: 20231FE6085002

Hà Nội, 07/11/2023

MỤC LỤC

Phần 1 Tìm hiểu về Anten vi dải – Microstrip antenna 3

1.1 Giới thiệu về Anten vi dải 3

1.2 Cấu trúc Anten vi dải 3

1.3 Đặc điểm bức xạ của Anten vi dải 4

1.4 Ứng dụng Anten vi dải trong các hệ thống thông tin vô tuyến 6

Phần 2: Các kỹ thuật mở rộng dải tần của Anten vi dải 8

2.1 Cấu trúc Anten vi dải 8

Phần 1 Tìm hiểu về Anten vi dải – Microstrip antenna

1.1 Giới thiệu về Anten vi dải

Khái niệm về Anten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu tiên được đề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20 năm sau người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế Trong suốt những năm 1970, sự phát triển được tăng tốc bởi sự sẵn có của các vật liệu nền có đặc tính tốt, bởi các mô hình lý thuyết tốt hơn và kĩ thuật chế tạo được cải tiến Những anten vi dải đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson Từ sau đó các nghiên cứu và phát triển mở rộng của các anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi thế của chúng như là kích thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp…, đã làm đa dạng hóa các ứng dụng của chúng

1.2 Cấu trúc Anten vi dải

Anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng bức xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng, độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe /2 (λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi

Hình 1-1: Anten vi dải hình chữ nhật

Đối với Anten vi dải hình chữ nhât, các kích thước tấm bức xạ của ăng ten được xác định theo công thức cơ bản:

𝑊 = 𝐶𝑜2𝑓𝑟√

2𝜀𝑟+ 1Với 𝐶0=3*10^8m/s, 𝜀𝑟=4.7

Độ dài ∆L ảnh hưởng của hiệu ứng đường viền: ∆𝐿

ℎ = 0.412

(𝜀𝑟 + 0.3) (𝑊ℎ + 0.264)(𝜀𝑟 − 0.258) (𝑊ℎ + 0.8) Chiều dài của tấm bức xạ L:

𝐿 = 𝐶0

2𝑓𝑟√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 − 2∆𝐿

Có nhiều loại chất nền có thể được sử dụng cho thiết kế Anten vi dải và hằng số điện môi của chúng thường trong dải 2.2≤ ξ ≤12 Với việc sử dụng chất nền dày, hằng số điện môi thấp sẽ cho ăng ten có đặc tính tốt với hiệu suất bức xạ tốt, băng thông rộng, tuy nhiên sẽ làm tăng kích thước của Anten Với việc sử dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn sẽ làm giảm kích thước của ăng ten, tuy nhiên ăng ten sẽ có suy hao lớn, hiệu suất bức xạ và băng thông nhỏ

1.3 Đặc điểm bức xạ của Anten vi dải

Sự bức xạ của Anten vi dải được xác định bởi sự phân bố trường giữa miếng vá kim loại (patch) và mặt phẳng đất Điều này cũng có thể được mô tả như sự phân bố dòng điện trên bề mặt miếng vá kim loại Khi miếng vá kim loại được tiếp điện, sẽ có sự phân bố điện tích lên mặt trên và mặt dưới của miếng vá kim loại và mặt phẳng đất

Sự phân bố điện trường của từ trường ngang mode TM10 của các Anten vi dải hình chữ nhật được chỉ ra trong hình bên dưới

Hình 1-2: Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải

Lực đẩy của các điện tích ở bề mặt dưới của tấm vá kim loại đẩy một vài điện tích xung quanh ở phía cạnh lên mặt trên của tấm vá kim loại, và do đó gây ra mật độ dòng điện Jb và Js Tỉ số h/W rất nhỏ, do đó lực hút mạnh mẽ giữa các điện tích trái dấu sẽ gây ra hầu hết sự tập trung điện tích và dòng điện ở phía dưới tấm vá kim loại Nhưng lực đẩy giữa các điện tích dương tạo mật độ điện tích lớn xung quanh các mép biên Các trường biên được tạo bởi các điện tích này chịu trách nhiệm bức xạ năng lượng ra không gian

Hình 1-3: Minh họa trường biên của anten vi dải hình chữ nhật

Điện trường hầu như không đổi dọc theo chiều rộng W và đảo pha dọc theo chiều dài L của miếng vá Anten vi dải hình chữ nhật có thể được coi như có hai khe bức xạ song song cách nhau bởi chiều dài L, thông thường L bằng nửa bước

sóng Tổng các trường biên từ hai khe triệt tiêu lẫn nhau dọc theo biên của Anten vi dải nửa bước sóng khi chúng có cùng biên độ và lệch pha 180 độ

1.4 Ứng dụng Anten vi dải trong các hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1-4: Các anten dùng trong thông tin vô tuyến

Hình 1-5: Hệ thống thông tin và hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị

Hình 1-6: Các loại vũ khí thông minh

Hình 1-7: Sử dụng cho GSM hay GPS

Phần 2: Các kỹ thuật mở rộng dải tần của Anten vi dải

Tài liệu tham khảo: “Study On The Improvement Of Bandwidth Of A Rectangular Microstrip Patch Antenna”

2.1 Cấu trúc Anten vi dải

2.1.1 Giải thích thuật ngữ

- TM Mode: Transverse Magnetic Mode - chế độ từ trường ngang - SWR: standing wave ratio - tỉ số sóng đứng

- VSWR: voltage standing wave ratio - tỉ số sóng đứng điện áp

- RMPA: Rectangular Microstrip Patch Antenna - anten vi dải hình chữ

nhật

- FR-4: flame retardant - chất chống cháy Vật liệu tổng hợp bao gồm vải

sợi thủy tinh dệt với chất kết dính nhựa epoxy có khả năng chống cháy - Duroid: sợi thủy tinh và hợp chất PTFE

- Alumina: Nhôm Oxit

2.1.2 Ưu nhược điểm của anten vi dải

a Ưu điểm

- Chi phí để tạo ra anten thấp

- Trọng lượng nhẹ, có thể tích hợp trên các thiết bị khác - Cách thức thiết kế không phức tạp

b Nhược điểm

- Độ lợi thấp (Low Gain)

- Dải băng thông hoạt động hẹp (Narrow Bandwidth) 2.2 Cấu tạo

a Cấu tạo phổ biến của anten vi dải (TM10 Mode) gồm:

Một tấm Patch kim loại (Radiating Patch) hình chữ nhật nằm đối diện tấm nền cũng được làm bằng kim loại gọi là mặt phẳng đất (Ground Plane) và ở giữa là lớp cách điện (Dielectric Substrate)

Hình 2-1: Cấu tạo tấm Patch

Chiều rộng của tấm Patch được tính theo công thức:

Chiều dài của tấm Patch được tính theo công thức:

ΔL được tính bằng:

Trong đó:

- Leff: chiều dài hiệu dụng - εeff: trị số điện môi hiệu dụng - h: chiều dày của lớp điệm môi - c: tốc độ ánh sáng

- Fr: tần số cộng hưởng

Đường truyền vi dải (Microstrip transmission line) được tạo giống như cách tạo tấm Patch Phía đầu còn lại của đường truyền vi dải được gắn với đầu tiếp điện

Hình 2-2: Anten vi dải hình chữ nhật

b Thiết kế

Có thể xét việc thiết kế Anten gồm 2 bước chính như sau:

Bước 1: Chọn tấm nền cách điện (dielectric substrate)

Chọn tấm nền cách điện thích hợp với độ dày h Độ dày h này có ảnh hưởng quan trọng tới các yếu tố của Anten như:

- Độ dày h lớn => Anten có độ cứng lớn - Độ dày h lớn => tăng công suất bức xạ - Độ dày h lớn => giảm suy hao điện dẫn

Bước 2: Tính toán các tham số

Chiều rộng Patch lớn sẽ làm tăng công suất bức xạ do đó làm giảm đi điện trở cộng hưởng => làm tăng băng thông và tăng hiệu quả bức xạ

Cách chọn chiều rộng W đem đến hiệu quả tốt theo tỷ lệ:

1 < W/ L < 2

Với công thức tính băng thông:

Phần trăm tỷ lệ của băng thông với chiều dài và rộng của Patch được tính như sau:

Bandwidth (%) = 𝐴ℎλ0√𝑊

A = 180 khi ℎ

λ0√εr ≤ 0.045 A = 200 khi 0.045 ≤ ℎ

λ0√εr ≤ 0.075 A = 220 khi ℎ

λ0√εr ≥ 0.075

Như vậy có thể thấy băng thông tỷ lệ thuận với chiều rộng W và tỷ lệ nghịch

với chiều dài L 2.3 Vật liệu

Thường sử dụng phương pháp khắc kim loại được gắn trên lớp cách điện như là FR4 hoặc nhôm oxit Kim loại được sử dụng là đồng

Hình 2-3: FR4 được sử dụng rộng rãi trong mạch điện tử in

2.4 Lựa chọn tần số

2.4.1 Các phương pháp cải thiện băng thông

- Một cách tiếp cận tốt để cải thiện băng thông là tăng độ dày của lớp nền hỗ trợ miếng dán vi dải

- Bằng cách sử dụng chất nền có hằng số điện môi cao để giảm kích thước vật lý của đường tấm song song

- Bằng cách tăng độ tự cảm của vi dải bằng cách cắt các lỗ hoặc khe trên đó

- Bằng cách thêm thành phần phản ứng để giảm VSWR 2.4.2 Phương thức thực hiện

a Thiết kế một ăng-ten vá hình chữ nhật có tần số hoạt động 2,4 GHz Phương pháp này mang lại sự suy hao phản hồi thấp ở tần số đó và lấy FR4 làm chất nền điện môi có hằng số điện môi bằng 4 và bằng cách thay đổi độ dày của chất nền từ 2 mm, 3 mm, 4 mm, các biến thể băng thông được quan sát là ngày càng tăng và việc mô phỏng được thực hiện bằng MATLAB và các mẫu bức xạ được quan sát cùng với băng thông

Đối với cả ba cấu hình, chiều rộng của miếng vá được duy trì không đổi và chiều dài của miếng vá thay đổi đối với ba cấu hình Hiệu suất (BW, kiểu bức xạ) đã được nghiên cứu và phân tích cho các cấu hình mô phỏng

b Thiết kế một ăng ten vá hình chữ nhật

Thiết kế ăng ten hình chữ nhật với các chất điện môi khác nhau có hằng số điện môi khác nhau ở tần số hoạt động 2 GHz và độ dày của chất nền là không đổi cho mọi trường hợp 1,5 mm Ở đây, ba vật liệu điện môi khác nhau được chọn là duroid 5880, FR4 và alumina có hằng số điện môi lần lượt là 2,2, 4 và 9,8

Việc mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB và các kết quả khác nhau về thông số anten đã được ghi nhận Ngoài ra, chiều dài và chiều rộng của bản vá so với tần số là đã phân tích

2.5 Kết quả phân tích mô phỏng

Hình 2-5: Sơ đồ bức xạ của RMPA với các thông số : Độ dày lớp nền (h)=2mm , =4,0(FR4) freq=2,4GHz ; BW = 95,85 MHz

Hình 2-6: Sơ đồ bức xạ của RMPA với các thông số: h(độ dày lớp nền) = 3 mm, =4,0(FR4), tần số = 2,4GHz; BW = 144,89 MHz

Hình 2-7: Dạng bức xạ của RMPA với tham số h(độ dày lớp nền) =4 mm, =4,0 (FR4), tần số = 2,4GHz;BW = 194,9 MHz

Bảng 2-8: Sự thay đổi độ dày điện môi dẫn đến thay đổi hiệu suất của ăng-ten

Từ hình 2-5, có thể quan sát được kiểu bức xạ của rmpa với độ dày 2 mm, tương tự như từ hình 2-6, có thể quan sát được kiểu bức xạ của rmpa với độ dày 3 mm và từ hình 2-7, có thể quan sát được kiểu bức xạ của rmpa với độ dày 4 mm Ảnh hưởng của độ dày đến băng thông của rmpa có thể được phân tích từ bảng 2-5

Chiều dài Patch (mm)

Bảng 2.3: Thông số thiết kế ăng-ten vá hình chữ nhật

Chất nền điện môi Hằng số điện môi Băng thông(MHz)

Từ hình 2-9 có thể thấy mô hình bức xạ của RMPA với các chất điện môi khác nhau Bảng 2-6 cho thấy sự khác biệt thông số ăng-ten trong khi bảng 2-7 cho thấy sự thay đổi băng thông đối với sự thay đổi của vật liệu điện môi

2.6 Kết luận

Công việc hiện tại được thực hiện là tìm ra các kỹ thuật nâng cao băng thông khác nhau của mạng hình chữ nhật anten vá vi dải Đầu tiên bằng cách thay đổi độ dày của chất nền (h=2mm, 3mm, 4mm) băng thông tỷ lệ phần trăm tăng lần lượt từ 3,99%, 6,03%, 8,12 % Do đó, việc tăng cường băng thông được nhìn thấy Sau đó, một ăng-ten vá hình chữ nhật được cấu hình bằng ba chất điện môi và băng thông khác nhau các biến thể được phân tích khi giảm hằng số điện môi dẫn đến tăng băng thông Ở đây duroid 5880 có hằng số điện môi thấp hơn FR4 và alumina mang lại băng thông tốt hơn

Do đó, có thể kết luận rằng để có băng thông rộng, ăng-ten vá vi dải hình chữ nhật phải được thiết kế với đế dày hơn và chất nền nên được chọn với hằng số điện môi thấp hơn