mô phỏng và chế tạo antenna vi dải băng rộng có khả năng hoạt động tại nhiều băng tần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐHQG HÀ NỘI    ĐỀ TÀI THIẾT KẾ 2 MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ANTENNA VI DẢI BĂNG RỘNG CÓ KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG TẠI NHIỀU BĂNG TẦN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Quân Nguyễn Xuân Hiếu Trần Mạnh Đức Nguyễn Thanh Bình Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Minh Tuấn Hà Nội - 5/2009 MỞ ĐẦU: Công nghệ không dây đang ngày càng phát triển, có rất nhiều thiết bị di động hiện đại đã ra đời. Cùng với nó là sự phát triển của anten đa băng tần và băng thông phải rộng. Có rất nhiều hình dạng anten khác nhau được nghiên cứu cho các thiết bị cầm tay và các anten đơn cực phẳng được sử dụng vì có các ưu điểm hơn như: kích thước nhỏ, băng thông đủ lớn cho các ứng dụng di động và thỏa mãn yêu cầu về giản đồ bức xạ. Tuy nhiên, cấu trúc của các anten đơn cực lại là cấu trúc 3D thay vì 2D, điều này làm tăng sự khó khăn trong sản xuất và giá thành. Antenna trong đề tài được thiết kế dựa trên ý tưởng là nhằm cải tiến băng thông của anten trong luận văn của anh Lưu Văn Hoan – Sinh viên K49 ĐB trường ĐHCN. Nhóm thực hiện cũng xin được gửi lời cảm ơn, biết ơn chân thành tới thày Trần Minh Tuấn vì đã tạo điều kiện cho nhóm làm tốt đề tài, và tới thày Bạch Gia Dương vì đã tạo điều kiện trong việc chế tạo và đo đạc các thông số của antenna. A. GIỚI THIỆU VỀ ANTEN MẠCH DẢI 1. Khái niệm Anten mạch dải (anten mạch in) còn thường được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. 2. Cấu trúc và đặc tính cơ bản Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Hình vẽ: Hình 1: Anten mạch dải Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten còn có tên gọi là anten mạch in. Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, chiều dày lớp đế điện môi h với hằng số điện môi ε . Phiến kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do λ o ), lớp điện môi có độ dày h (0.003λ o ≤ h ≤ 0.05λ o ) và độ dài L trong khoảng λ o /3 < L < λ o /2. 2 Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi ε r từ 2.2 ÷ 12. Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng hơn, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn hơn. Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thích hợp với các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước anten nhỏ hơn, nhưng hiệu suất thấp, suy hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn. Trong khi đó, anten mạch dải thường tích hợp với mạch vi sóng nên bắt buộc phải có sự thoả hiệp. Hình 2: Anten mạch dải nhìn từ mặt bên Phân tích anten mạch dải theo phương pháp đường truyền dẫn, một phần tử anten mạch dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với hai khe bức xạ song song có chiều dài mỗi khe là W và dặt cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức xạ được xem như một dipole từ. Hình 3: Khe bức xạ Anten mạch dải Các phần tử bức xạ dùng cấu trúc mạch dải thường có nhiều hình dạng khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, dipole, hình tròn, elip, hình tam giác…các dạng này đều dễ chế tạo, có đặc tính bức xạ linh hoạt và độ phân cực chéo thấp. 3 Hình 4: Các dạng anten mạch dải điển hình Mỗi phần tử anten mạch dải có thể sử dụng như một anten độc lập, hoặc chúng có thể kết hợp với nhau thành hệ anten. Phần tử bức xạ của anten mạch dải nằm ở phía trên của tấm kim loại (màn chắn dẫn điện) nên có thể dễ dàng kết hợp các phần tử anten với các mạch tích cực (mạch khuyếch đại, đổi tần…) hoặc các mạch xử lý tín hiệu nằm ở phía sau màn chắn để tạo ra hệ anten tích cực hoặc anten có xử lý tín hiệu. Phần tử anten mạch dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền mạch dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại), hoặc dùng cáp đồng trục có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn. Hình vẽ: Đường vi dải Cáp đồng trục Hình 5: Tiếp điện cho anten mạch dải 4 Ngày nay, anten mạch dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh cực, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ, hàng không, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây là loại anten có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với mọi loại hình dạng, đơn giản và rẻ tiền nhờ sử dụng công nghệ mạch in. Tuỳ theo cấu tạo khác nhau để có được sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, độ phân cực, kiểu bức xạ, trở kháng làm việc… Tuy nhiên, nhược điểm của loại anten này là công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một vài phần trăm). Ta có thể nâng hiệu suất bằng cách tăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thể tăng 35%. Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảm công suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờ giới hạn bởi lớp điện môi và lớp đế, làm giảm đặc tính phân cực, phát xạ của anten. Sóng này có thể loại trừ mà vẫn giữ được dải tần rộng nếu sử dụng phương pháp hốc cộng hưởng. B. MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ANTENNA VỚI PHẦN MỀM HFSS v.11 1. Phần mềm HFSS version 11 HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để 5 học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đồ họa. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ, HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt là đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, … Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động. Chu trình thiết kế được minh họa trong hình 4.1, bao gồm các bước sau: 1. Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích. 2. Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời giải. 3. Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động. 4. Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị trường 2D. 2. Mô phỏng antenna với các tham số cho trước Anten bao gồm một bộ phát xạ hình chữ nhật bị xẻ bởi các rãnh uốn khúc tạo thành 3 nhánh, trong đó 2 nhánh cộng hưởng và 1 nhánh điều chỉnh. 2 nhánh được thiết kế để cộng hưởng ở 2 tần số nhất định, và sau đó nhánh thứ 3 được thêm vào để điều chỉnh tần số cộng hưởng cho phù hợp với các dải tần mong muốn. Với diện tích nhỏ 36 x 15 mm 2 , anten đáp ứng yêu cầu của các chuẩn truyền thông là GSM (Global System for Mobile communications, 856 MHz – 891 MHz), và 3G (1800 – 2100 MHZ) Anten được in trên chất nền FR4 (hằng số điện môi chọn mô phỏng là 4.4 ) và được tiếp điện bởi một đường vi dải 50 Ω. 6 Thành phần bức xạ đơn cực phẳng chiếm diện tích là 36 x 15 mm 2 , và được in trên chất nền FR4 dày 0.16 mm (hằng số điện môi tương đối là 4.4). Tấm điện môi này được dùng phổ biến để làm các mạch PCB cho điện thoại di động. Chất nền (lớp điện môi) rộng 36 mm và dài 75 mm. Ở mặt sau của tấm điện môi, mặt phẳng đất được in có chiều rộng 36 mm và chiều dài 60 mm. Thành phần bức xạ đơn cực được tiếp điện bởi một đường vi dải 50 Ω như được chỉ ra trong hình bên cạnh. a) Mô hình antenna mô phỏng: b) Thiết lập các thông số phân tích mô phỏng: 7 c) Kết quả mô phỏng trên HFSS v.11: 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 Freq [GHz] -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Ansoft Corporation HFSSDesign1 XY Plot 1 m1 m2 m3 m4 m5 m6 Curve Info dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 Name X Y m1 0.8257 -9.9585 m2 0.9259 -10.0931 m3 1.5070 -10.1000 m4 2.1433 -10.4097 m5 2.1934 -10.8757 m6 2.6944 -9.8960 Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y) d(m1,m2) 0.1002 -0.1347 -1.3439 -0.7441 d(m3,m4) 0.6363 -0.3097 -0.4868 -2.0543 d(m5,m6) 0.5010 0.9798 1.9556 0.5113 Đồ thị S11 của anten Dải thứ nhất từ 825 – 926 Mhz , Băng thông là 101 Mhz Dải thứ hai từ 1.50 – 2.14 Ghz Dải thứ ba từ 2.19 – 2.70 Ghz 0.20 0.40 0.60 0.80 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Ansoft Corporation HFSSDesign1 Polar Plot 1 Curve Info S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep1 8 Đồ thị cực 5.002.001.000.500.20 5.00 -5.00 2.00 -2.00 1.00 -1.00 0.50 -0.50 0.20 -0.20 0.00-0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 Ansoft Corporation HFSSDesign1 Smith Plot 1 Curve Info S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep1 Đồ thị Smith Phân bố trường E 9 Phân bố trường H d) Sản phẩm thực tế và kết quả đo đạc: Antenna được chế tạo thực tế: Kết quả đo đạc : 10 [...]... S11: Các dải thông đo được : - Dải GSM: 866,04 Mhz– 944,3 Mhz băng thông là 78,26 Mhz - Dải 3G: 1.895 Ghz – 2.016 Ghz băng thông là 121 Mhz Đồ thị Smith Nhận Xét : Trong quá trình chế tạo antenna, do bị ảnh hưởng nhiều bởi các điều kiện về kích thước thực tế của antenna so với kích thước mô phỏng, và sự ảnh hưởng lớn của vật liệu được sử dụng làm antenna, dẫn đến nhiều sai lệch về tần số và băng thông... được sử dụng làm antenna, dẫn đến nhiều sai lệch về tần số và băng thông đo đạc được, so với kết quả mô phỏng Ngoài ra, cũng cần phải chú ý thêm nhiều đến vi c tối ưu hơn nữa hình dáng và kích thước các thành phần của antenna nhằm đạt được tần số cộng hưởng và băng thông theo ý muốn 11 có có Tài liệu tham khảo : 1 High Frequency Structure Simulator (HFSS) Tutorial Prepared by Dr Otman El Mrabet - IETR,... avenue Butte des Coësmes 35043 Rennes, FRANCE 2 Getting started with HFSS v9 for Antenna Design (Ansoft 2003) 3 http://www .antenna- theory.com/antennas/main.php 4 http://www.emtalk.com/tut_1.htm 5 Designing multiband and broadban antenna for 3G mobile handsets – Tran Minh Tuan, Luu Van Hoan 6 Designing 2.45Ghz meander line antenna for RFID – Tran Minh Tuan, Duong Dinh Sang 12 . KẾ 2 MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ANTENNA VI DẢI BĂNG RỘNG CÓ KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG TẠI NHIỀU BĂNG TẦN Sinh vi n thực hiện: Nguyễn Trọng Quân Nguyễn Xuân Hiếu Trần Mạnh Đức Nguyễn Thanh Bình Giáo vi n. thước mô phỏng, và sự ảnh hưởng lớn của vật liệu được sử dụng làm antenna, dẫn đến nhiều sai lệch về tần số và băng thông đo đạc được, so với kết quả mô phỏng. Ngoài ra, cũng cần phải chú ý thêm nhiều. dây đang ngày càng phát triển, có rất nhiều thiết bị di động hiện đại đã ra đời. Cùng với nó là sự phát triển của anten đa băng tần và băng thông phải rộng. Có rất nhiều hình dạng anten khác nhau