Thiết kế và mô phỏng anten vi dải ở tần số 900, 1800 MHz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN #" NGUYỄN THANH THÁI THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI Ở TẦN SỐ 900, 1800 MHz CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT) MÃ SỐ: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH VẬT LÝ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HỮU PHÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009 LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian học tập cao học tại khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại Học Khoa Học Tp Hồ Chí Minh, các thầy như vừa mở ra cho tôi một chân trời mới. Ở đó tôi được sống trong môi trường năng động sáng tạo, cùng các bạn tiếp cận những kỹ thuật hiện đại. Và tất nhiên không thể thiếu sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy chuyên sâu về Vô Tuyến Điện Tử. Đó là những kiến thức thật sự quí giá và hữu ích trong cuộc sống cũng như trong công việc của tôi. Tôi chân thành gủi lời cảm ơn đến quý thầy và kính chúc các thầy thật nhiều sức khoẻ. Nhân đây tôi muốn gửi lời tri ân đến người thầy, người đã quan tâm lo lắng và tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài, thầy TS. Lê Hữu Phúc. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy. Một lần nữa cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, ba mẹ, bạn bè tất cả những người thân yêu đã chỉ bảo quan tâm giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đề tài này. Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2009 Nguyễn Thanh Thái i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU viii U MỞ ĐẦU ix U CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1 1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI 1 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI 3 1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC 3 1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 4 1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE 6 1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN 7 1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 7 1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG 9 CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 11 2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 11 2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 12 2.1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 15 2.1.3 KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 20 2.1.4. TỔNG TRỞ NGÕ VÀO CỦA ANTEN VI DẢI 22 2.2 MÔ HÌNH HỐC CỘNG HƯỞNG 27 2.2.1 ĐẶC TÍNH TRƯỜNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG TƯƠNG ĐƯƠNG 27 2.2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN VI DẢI 33 2.3 CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA ANTEN VI DẢI 37 2.3.1 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG 37 ii 2.3.2 ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SÓNG 39 2.3.3 SUY HAO VÀ HỆ SỐ PHẨM CHẤT Q 40 2.3.4 HIỆU SUẤT BỨC XẠ 42 2.3.5 BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ LỢI 42 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ V À M Ô PH ỎNG 44 3.1. GIỚI THIỆU 44 U 3.2. LỰA CHỌN LỚP ĐIỆN MÔI 47 3.3. LỰA CHỌN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG (TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG) 51 3.4. TÍNH CHIỀU RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 51 3.5. TÍNH HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 52 3.6. TÍNH CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG CỦA ANTEN VI DẢI 52 3.7. TÍNH CHIỀU DÀI PHẦN MỞ RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 53 3.8. TÍNH CHIỀU DÀI THỰC TẾ CỦA ANTEN VI DẢI 54 3.9. TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA MẶT PHẲNG ĐẤT 55 3.10. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO ANTEN VI DẢI 55 3.10.1. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI DÀI 4/ λ 56 3.10.3. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐẶT LỆCH ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 57 3.10.4. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG INSET-FEED 59 3.11. CÁC THÔNG SỐ KHÁC 60 3.11.1 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 60 3.11.2. HIỆU XUẤT BỨC XẠ, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỘ LỢI 62 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM IE3D 64 4.1. PHƯƠNG PHÁP MOMENT 64 4.2 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 900 MHz 67 4.2.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 68 4.2.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 69 4.2.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 69 iii 4.2.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 71 4.2.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 72 4.2.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 73 4.2.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 74 4.2.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76 4.3 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 1800 MHz 78 4.3.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 79 4.3.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 80 4.3.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 80 4.3.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 82 4.3.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 83 4.3.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 84 4.3.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 85 4.3.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 87 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90 KẾT LUẬN 90 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang MOM Moment Of Method Phương pháp moment FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn AF Array Factor Hệ số dãy 2D Two Dimensional Hai chiều 3D Three Dimensional Ba chiều VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng BW Bandwidth Băng thông v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật 2 Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng 3 Hình 1.3 Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương 4 Hình 1.4 Anten vi dải với đường tiếp điện vi dải và mạch tương đương 5 Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải 5 Hình 1.6 Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương 6 Hình 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương 7 Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải 8 Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải 9 Hình 2.1 Mô hình đường truyền sóng 12 Hình 2.2 Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải 13 Hình 2.3 Đường truyền vi dải 13 Hình 2.4 Hiệu ứng đường biên của anten vi dải 14 Hình 2.5 Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải 14 Hình 2.6 Đường truyền vi dải 15 Hình 2.7 Cấu trúc và mô hình truyền sóng (TEM) của đường truyền vi dải [6] 17 Hình 2.8 Phân bố điện trường 21 Hình 2.9 Mạch tương đương của mô hình đường truyền sóng 22 Hình 2.10 Anten vi dải với đường cấp nguồn inset-feed 26 Hình 2.11 Phân bố điện tích và mật độ dòng trên anten vi dải 28 Hình 2.12 Mô hình hộp cộng hưởng của anten vi dải 28 Hình 2.13 Mô hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải 33 Hình 2.14 Dòng tương đương tại hai khe bức xạ 34 Hình 2.15 Bức xạ từ một khe 35 Hình 2.16 Mẫu bức xạ của anten vi dải trong mặt phẳng E và H [7] 37 Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật của chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 45 Hình 3.2 Giao di ện chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 46 vi Hình 3.3 Anten vi dải với đường cấp nguồn 4/ λ 56 Hình 3.4 Anten vi dải với đường cấp nguồn đặt lệch khỏi điểm giữa 58 Hình 3.5 Anten vi dải với kỹ thuật cấp nguồn inset-feed 59 Hình 3.6 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 61 Hình 3.7 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 61 Hình 3.8 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 62 Hình 3.9 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 62 Hình 4.1 Cấu trúc của anten vi dải 900 MHz dùng trong mô phỏng 68 Hình 4.2 Đồ thị thông số S của anten vi dải 900 MHz 68 Hình 4.3 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 900 MHz 69 Hình 4.4 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900 MHz với φ = 0 0 70 Hình 4.5 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900MHz với φ = 90 0 70 Hình 4.6 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 900 MHz trong toạ độ xyz 71 Hình 4.7 Độ lợi của anten vi dải 900 MHz 72 Hình 4.8 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 900 MHz 73 Hình 4.9 Đồ thị hướng tính của anten vi dải 900 MHz 74 Hình 4.10 Mẫu bức xạ 3D của anten vi dải 900 MHz 75 Hình 4.11 Phân bố dòng trên anten vi dải 900 MHz 75 Hình 4.12 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 900 MHz 76 Hình 4.13 So sánh mẫu bức xạ H plane của anten vi dải 900 MHz 77 Hình 4.14 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 900 MHz 78 Hình 4.15 Cấu trúc của anten vi dải 1800 MHz dùng trong mô phỏng 79 Hình 4.16 Đồ thị thông số S của anten vi dải 1800 MHz 79 Hình 4.17 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 1800 MHz 80 Hình 4.18 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 1800 MHz với φ = 0 0 81 Hình 4.19 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 1800MHz với φ = 90 0 81 Hình 4.20 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 1800 MHz trong toạ độ xyz 82 Hình 4.21 Độ lợi của anten vi dải 1800 MHz 83 Hình 4.22 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 1800 MHz 84 vii Hình 4.23 Đồ thị hướng tính của anten vi dải 1800 MHz 85 Hình 4.24 Mẫu bức xạ 3D của anten vi dải 1800 MHz 86 Hình 4.24 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 1800 MHz 86 Hình 4.25 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 900 MHz 87 Hình 4.26 So sánh mẫu bức xạ H plane của anten vi dải 1800 MHz 88 Hình 4.27 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 1800 MHz 89 viii DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1 Các đặc tính của một số loại vật liệu điện môi 49 Bảng 2 Các loại vật liệu điện môi thông dụng dùng trong thiết kế anten vi dải. 50 Bảng 3 Chiều rộng của anten vi dải hình chữ nhật 51 Bảng 4 Hằng số điện môi hiệu dụng 52 Bảng 5 Chiều dài của anten vi dải 53 Bảng 6 Phần mở rộng chiều dài của anten vi dải 54 Bảng 7 Chiều dài của anten vi dải 54 Bảng 8 Kích thước của mặt phẳng đất 55 Bảng 9 Độ rộng đường truyền vi dải 4/ λ 57 Bảng 10 Khoảng độ lệch z của đường truyền vi dải so với anten 59 Bảng 11 Vị trí của inset-feed 60 Bảng 12 Độ định hướng, độ lợi và hiệu suất của anten 63 Bảng 13 So sánh kết quả mô phỏng trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải và phần mềm IE3D 77 Bảng 14 So sánh kết quả mô phỏng anten trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải và phần mềm IE3D 88 [...]... về anten vi dải và các phương pháp phân tích hoạt động của anten vi dải • Khảo sát mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng • Áp dụng các kết quả thu được để tính toán thiết kế và mô phỏng một anten vi dải hình chữ nhật • Mô phỏng anten vi dải đã thiết kế ở trên bằng phần mềm IE3D để kiểm chứng kết quả Đề tài được chia làm bốn chương Quan trọng nhất là chương hai, chương này trình bày mô. .. Ứng dụng chương trình IE3D để mô phỏng anten vi dải đã thiết kế và kiểm chứng kết quả mô phỏng ở chương 3 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ những năm 1970, mặc dù những thiết kế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ những năm 1950 Ngày nay, anten vi dải xuất hiện trong hầu hết các... hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng để áp dụng trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật Hai mô hình này tương đối đơn giản nhưng có khả năng tính toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ nhật Nhiệm vụ của đề tài là phải tính toán thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật dựa vào hai mô hình này Tuy nhiên, để kiểm chứng kết quả mô phỏng được đề tài sẽ sử... đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng áp dụng vào cho anten vi dải hình chữ nhật • Chương 1: Giới thiệu tổng quan về anten vi dải • Chương 2: Trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng áp dụng cho anten vi dải hình chữ nhật để tính toán các thông số đặc trưng của anten • Chương 3: Áp dụng các kết quả thu được để thiết kế chương trình tính toán và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật... 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương 1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI Anten vi dải được chế tạo bằng cách ăn mòn một lớp đồng trên một nền điện môi Kích thước và hình dạng của anten phụ thuộc vào tần số cộng hưởng và các thông số bức xạ Để nghiên cứu hoạt động của anten vi dải ta xét một anten vi dải hình chữ nhật điển hình như hình 1.8 Nó có một đường cấp nguồn được điều hợp ở 50... Đối với những tần số thấp hơn thì kích thước của anten trở nên quá lớn 1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ và được chế tạo trên một bản mạch in Thực chất anten vi dải là một dạng anten có kết cấu bức xạ kiểu khe Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch) được đặt trên một lớp điện môi nền (dielectric... nhiên, mô hình toàn sóng lại cho ít hiểu biết về vật lý hơn mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng Mặc dù hai mô hình này cho kết quả kém chính xác hơn Hiện nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về anten vi dải như: mô phỏng truyền sóng điện từ bằng phương pháp FDTD – Áp dụng khảo sát anten vi dải và mạch lọc ở siêu tần của Phạm Ngọc Sơn (Trường ĐH KHTN TP HCM), phân tích anten vi dải của... trình thiết kế và mô phỏng Các mô hình tương đương dùng trong phân tích và mô phỏng anten nhằm mục đích giảm bớt các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten Các mô hình này có khả năng dự đoán trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào, băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten ... nghiệm Hơn nữa, trong một số lĩnh vực vi c tiến hành thử nghiệm trong thực tế gặp rất nhiều khó khăn và không an toàn thì giải pháp dùng máy tính để thiết kế và mô phỏng trước là một giải pháp vừa an toàn, vừa hiệu quả Phương pháp thiết kế và mô phỏng phải được tiến hành và giải quyết theo từng yêu cầu cụ thể, thậm chí với cùng một yêu cầu có thể có nhiều phương pháp thiết kế và mô phỏng khác nhau, mỗi... Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải 1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG Khi áp sóng có bước sóng sắp sỉ một nữa chiều dài của anten thì anten vi dải cộng hưởng ở nhiều sóng λ / 2 đó là: λ , 3λ / 2 , …Những tần số cộng hưởng này tạo nên các mode của anten Nếu điện trường áp vào chỉ có thành phần theo hướng x và từ trường chỉ có thành phần theo hướng y thì sóng sẽ lan truyền . IE3D để mô phỏng anten vi dải đã thiết kế và kiểm chứng kết quả mô phỏng ở chương 3. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI Anten vi dải (microstrip antenna). của anten vi dải trong mặt phẳng E và H [7] 37 Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật của chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 45 Hình 3.2 Giao di ện chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải. vi dải. • Khảo sát mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng. • Áp dụng các kết quả thu được để tính toán thiết kế và mô phỏng một anten vi dải hình chữ nhật • Mô phỏng anten vi