Thiết Kế Mảng Anten Vi Dải

Thiết Kế Mảng Anten Vi Dải

THIẾT KẾ MẢNG ANTEN VI DẢI Mảng anten vi dải là một tập hợp gồm nhiều anten vi dải đơn lẻ ghép với nhau tạo thành một hệ thống anten Phần này sẽ bàn về quá trình thiết kế anten mạch dải dạng tấm(mảng anten patch vi dải), được lựa chọn để sử dụng trong thiết kế dự án của chúng tôi,bao gồm các lựa chọn vật liệu nền và vật liệu dẫn điện,kích thước và số lượng các thành phần dẫn điện,và kĩ thuật nuôi mạch dải *Bước 1:Lựa chọn vật liệu làm đế(đế hay còn gọi là lớp nền) - Có nhiều vật liệu nền được sử dụng để chế tạo anten vi dải như:sợi thủy tinh FR4,mica, teflon…Người ta thường chọn mica làm chất liệu nền vì có giá thành rẻ và tổn hao thấp (thấp hơn hơn FR4). FR4 được sử dụng nhiều thứ hai sau mica vì chi phí thấp.Teflon thì đắt hơn so với 2 loại trên và vì thế sẽ tăng giá thành của sản phẩm. *Bước 2:vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện được sử dụng để tạo ra các phần tử mảng vi dải,cung cấp mạng và tạo ra mặt phẳng tiếp điện.Vật liệu chúng ta có thể xét để dẫn điện như là nhôm hoặc lá đồng.Độ dẫn điện của nhôm khoảng 60% so với đồng,và việc chọn nhôm làm vật liệu dẫn điện tốt hơn là chọn đồng vì sự mất mát năng lượng của nhôm thấp hơn.Nhôm và đồng bằng nhau về giá cả song lá đồng luôn sẵn có trong phòng thí nghiệm vì vậy được chọn làm vật liệu dẫn điện. *Bước 3: Số lượng phần tử mảng Để xác định độ lợi của mảng, hệ số mảng của mảng anten 2 chiều phải được xác định.Hệ số mảng có thể được nhân lên bởi số phần tử mảng để đạt được độ lợi về mặt lí thuyết.Công thức tính hệ số mảng của mảng 2 chiều như sau: AF(θ,φ) = ∑ ∑ + = = M m N n yryxrx ndmdjI 1 1 mn ))(( exp ττ 1 , 2 λ π x d d rx = λ π y d d ry 2 = xsxx θθτ coscos −= , ysyy θθτ coscos −= , d cos rx x xs ψ θ = d cos ry y xy ψ θ = Trong đó: I mn là hệ số biên độ kích thích của mỗi phần tử D rx là khoảng cách liên tiếp giữa các phần tử dọc theo trục x D ry là khoảng cách liên tiếp giữa các phần tử dọc theo trục y M là số phẩn tử anten đặt dọc theo trục x N là mảng các phần tử anten đặt dọc theo trục y Để đạt được độ lợi tối đa thì xs cos θ = ys cos θ = 0 Công thức tính hệ số của mảng anten 2 chiều có thể được rút gọn như sau: S=1+x+x2+x3+x4+…+xN-1 xS= x+x2+x3+x4+…+xN-1 + xN (1-x)S=1-xN => S=(1-xN ) / (1-x) 1- =2jsin (Nψ/2) Pha có thể được bỏ qua bởi vì có sự kích thích phản xạ đồng đều và khoảng cách mỗi phần tử trong mảng anten là đều nhau cho nên phương trình có thể được đơn giản hóa như sau: AF(θ,ψ) = , x= Md rx τ x , y= Md ry τ y , Trong đó: τ x = cos θ x và τ y = cos θ x và hệ số mảng có thể được nhân với phần tử mẫu để thu được độ định hướng của anten: D 0 =10log 10 dB, x= Md rx cosθ x , y= Md ry cosθ y Công thức trên có thể đơn giản hóa như sau: D 0 = 10 log 10 2 Từ phương trình trên ta thấy hệ số định hướng của anten vi dải phụ thuộc vào bước sóng không gian tự do λ; số phần tử mảng anten M,N; và phụ thuộc vào khoảng cách d x ,d y của các phần tử trên các trục x và y.Một mảng gồm 16 phần tử với khoảng cách bằng λ/2 đơn vị tế bào thì sẽ đạt được độ định hướng là 17,98dB. Bước 4: Thiết kế mô phỏng Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt đế điện môi nên để cấp nguồn cho anten ta tiến hành kết hợp các phần tử bức xạ, kết nối chúng theo một số kiểu mẫu nhất định như là phân bố tuyến tính, thẳng hay hình khối.Có 2 cách cấp nguồn cho các phần tử bức xạ: cấp nguồn trực tiếp và cấp nguồn song song. Phương pháp cấp nguồn cho anten vi dải được sử dụng ở đây là cấp nguồn song song sử dụng cáp đồng trục. Mạng lưới cấp điện song song được sử dụng để cấp điện cho 2 n phần tử bức xạ, trong thiết kế này ta áp dụng cho 16 phần tử. Phương pháp này được thể hiện ở hình 31. 3 Hệ thống anten trên có 4 mảng con cơ bản kết nối với nhau để tạo thành mảng lớn hơn, mỗi mảng con được cấp nguồn bởi một đường truyền chính bố trí dọc theo một đường thẳng. Hai phần tử bức xạ trong mỗi mảng con đặt song song với hai thành phần bức xạ khác tạo nên một cấu trúc đối xứng, mỗi thành phần đều có trở kháng phù hợp = λ/4 Mảng là nguồn nuôi trung tâm với kĩ thuật tiếp điện dùng cáp đồng trục Lý tưởng nhất là đặt các yếu tố bức xạ cách nhau một khoảng là λ/2 vì nếu để khoảng cách là λ/4 thì các thành phần bức xạ sẽ bị chồng chéo lên nhau. Giải pháp là tăng khoảng cách giữa các yếu tố lên tới 5* λ/8=76,5 mm. Thiết kế thể hiện rõ ở hình dưới: 4 Mỗi phần tử của mảng 2 chiều được nối với nhau bằng cách nối với dây dẫn có chiều dài một phần tư bước sóng. Trở kháng của các đường dây truyền tải vào khoảng 100Ω. Công thức tính trở kháng của đường dây truyền tải thể hiện như sau: Z 0 = x ln Phương trình 18: Trở kháng của đường dây truyền tải Hai phần tử trong mỗi một mảng con sử dụng 3 đường dây truyền tải có chiều dài bằng một phần tư bước sóng và được kết nối với đường dây truyền tải chung. Mô phỏng dùng để xác định vị trí cấp nguồn cho phép cung cấp năng lượng tối đa cho các phần tử bức xạ của mạng. Các phần tử bức xạ được liên kết với nhau và tạo thành một mảng con, ta tiến hành ghép thêm với 3 mảng con khác để tạo ra mảng gồm có 16 phần tử bức xạ. Trong đó đường dây truyền tải cấp nguồn trong thiết kế antenn vi dải được đặt ở giữa, đối xứng với các thành phần bức xạ. Anten được thiết kế với bề rộng 306 mm, bề dày 4,67mm. Bề mặt đế được thiết lập để có hằng số điện môi phù hợp và vật liệu của dây dẫn là đồng. Hệ số phản xạ của anten được thể hiện trong hình 33 Hình 33: Mô phỏng hệ số phản xạ với kích thước của bề mặt bức xạ là 30 x 30 mm Anten cộng hưởng tại tần số 2,44 GHz và hệ số phản xạ -10 dB nằm trong toàn bộ băng tần hoạt động của băng ISM 2,4 GHz. Điều quan trọng trong thiết kế 5 này là thu được độ lợi của anten trong khoảng 12-16 dBi. Mô hình bức xạ của anten thể hiện ở hình 34 Hình 34:Mô hình bức xạ của mảng anten patch vi dải Độ định hướng tối đa của anten là 17,16 dB, độ tổn hao trong mô phỏng vào khoảng 15 dB nằm trong phạm vi mong muốn của chúng ta. 6 5.Thực thi thiết kế Một trong những thông số ngoài tầm kiểm soát của chúng ta là hằng số điện môi của vật liệu làm nền mica.Hàng số điện môi của tấm mica nằm trong khoảng từ 2.6 đến 3.5.Trong thiết kế này,chúng ta giả định hằng số điện môi của tấm mica là 3.0. Nhìn vào phương trình 11 ta thấy tần số cộng hưởng phụ thuộc vào điện môi tương đối,độ dày của điện môi và chiều dài của anten path.Chiều rộng và chiều dài của các mặt bức xạ nên thiết kế với độ rộng bằng nhau để tránh hiện tượng cộng hưởng ký sinh-cộng hưởng không mong muốn làm bóp méo tín hiệu. Hằng sô điện môi thiết kế anten ε r = 3.0 , độ dày của điện môi h= 30mm,chiều dài mặt bức xạ xấp xỉ bằng 31mm. Trở kháng của mạng lưới hệ thống đường dây truyền tải cũng bị ảnh hưởng bởi hằng số điện môi,điều này thể hiện rõ ở phương trình 18. Chiều dài của các mặt bức xạ ban đầu được thiết kế với chiều dài hơn 40mm tạo ra một tần số cộng hưởng 2,41 GHz. Giá trị này gần bằng với tần số cộng hưởng trung tâm trong thiết kế nhưng băng thông -10dB lại bị giới hạn trong khoảng tần từ 2,4-2,5 GHz. Trở kháng của các mặt bức xạ không có sự phối hợp và có sự sai khác nhau 50Ω. Vậy để phối hợp trở kháng cho anten, ta thêm dải đồng vào giữa các mặt bức xạ. Mảng anten được thiết kế như hình 35 7 Hình 35: Xây dựng mảng anten vi dải với kích thước bề mặt bức xạ 30x34 mm Để tính hằng số điện môi tương đối của các tấm mica, chúng tôi chạy mô phỏng với các thành phần bức xạ có các bề rộng khác nhau. Các mô phỏng cho kết quả điện môi tương đối của những tấm mica vào khoảng 2,7 thấp hơn 0,3 so với lý thuyết. Một phương pháp khác xác định hằng số điện môi của vật liệu đã có để thiết kế một anten path đơn bằng cách sử dụng cùng một loại vật liệu đế và xác định tần số cộng hưởng bằng cách sử dụng máy phân tích mạng. Với kích thước đã biết của anten, các tính toán đơn giản có thể thực hiện để xác định hằng số điện môi.Thí nghiệm này không được thực hiện vì mỗi tấm vật liệu mica sẽ cho một hằng số điện môi khác nhau. 8 Bước 6: Các thông số đo của anten Hình vẽ thể hiện thông số của 3 mảng enten, hệ số phản xạ S 11 được đo bằng cách sử dụng một máy phân tích mạng vector.Từng mảng anten được kết nối với mạng lưới phân tích mạng bằng cáp đồng trục. Đầu tiên,cáp được hiệu chuẩn hệ số phản xạ S 11 trước khi thử nghiệm.Các dữ liệu được ghi lại và được thể hiện trên cùng một đồ thị để so sánh. Hình: Hệ số phản xạ S 11 của mảng annten được xây dựng Ta thấy hệ số phản xạ S 11 = -10dB nằm trong khoảng tần số 2,4-2,5GHz, tần số cộng hưởng trung tâm là 2,45 GHz. Băng thông -10 dB và các đặc điểm mô phỏng được thể hiện trong bảng dưới: Simulated Array Good Array Soldered Array Extended Array F L 2,3775 GHz 2,375 GHz 2,37 GHz 2,36 GHz F H 2,5038 GHz 2,519 GHz 2,56 GHz 2,5086 GHz F res 2,44 GHz 2,41 GHz 2,42 GHz 2,46 GHz Bề rộng 5,17 % or 126 5,16 % or 161 7,7 % or 190 6,1 % or 148 9 dải tần (băng thông) MHz MHz MHz MHz Bảng 4: Kết quả đo và mô phỏng băng thông -10dB Mô hình bức xạ anten được đo bằng máy phân tích mạng vector và 2 chân đế. Đây là một vấn đề liên quan đến tính toán độ lợi của mảng anten. Đầu tiên 2 anten loa độ lợi 10dB được sử dụng để quyết định mức 10dB. Hệ số phản xạ S 21 của anten loa được đo và nhận được là ở mức -20.6dB. Các thiết lập của phép đo S 21 được thể hiện ở hình 37 Hình 37: Dụng cụ đo lường anten loa Khoảng cách giữa các chân đế và giá không đổi trong quá trình thử nghiệm.Anten loa được thay thế bằng một mảng anten vá (path antenna ) và hệ số S 21 được đo ở 10 độ nằm trong dải 0-180 độ.Các phép đo lí tưởng được thực hiện ngoài trời hoặc trong căn phòng không có âm vang nhưng vì thời tiết và thiếu 10 [...]... các góc suy giảm của anten được thể hiện theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, góc tăng ích thể hiện theo chiều kim đồng hồ Độ lợi búp sóng so với góc quay của anten được vẽ trên một hệ tọa độ cực với các mẫu bức xạ được mô phỏng như hình 39 Hình 39: Số liệu mô phỏng và đồ thị bức xạ của anten Anten có sự suy giảm búp sóng chính là do kết quả của sự dẫn điện,điện môi và tổn hao sóng Kết quả thu được độ...phương tiện nên các phép đo sẽ được thực hiện trong phòng thí nghiệm anten. Các thiết lập được thể hiện trong hình 38 Hình 38: Thiết lập dụng cụ đo lường anten bức xạ Hệ số phản xạ S21 hoặc cường độ tín hiệu thu được xác định ở khoảng 10 độ và độ lợi được tính bằng S21 Anten ở các mức độ có thể nhìn thấy trong bảng 5 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 Perfect... môi và tổn hao sóng Kết quả thu được độ lợi tối đa và đạt được độ định hướng là 12 3.9dB Hiệu suất anten tính bằng tỉ lệ giữa công suất bức xạ và tổng công suất được đưa vào anten Hiệu suất bức xạ của anten vào khoảng 40,38% Bảng 6 cho thấy sự khác nhau giữa các thông số mô phỏng so với thực tế Độ lợi anten Băng thông Giải tần công tác Tần số cộng hưởng Kích thước mặt bức xạ Tỉ số phân cách hướng phát... 30 x 30 mm 22.118 dB Thực tế 13.2 dBi 5.16 % or 161 MHz 2.3572-2.519 GHz 2.41 GHz 30 x 34 mm 14.2 dB Hình 36: Bảng so sánh Sự khác biệt lớn nhất giữa các anten là độ lợi búp sóng chính Ta có thể giảm độ lợi búp sóng chính để tăng hệ số khuếch đại của anten 13 . THIẾT KẾ MẢNG ANTEN VI DẢI Mảng anten vi dải là một tập hợp gồm nhiều anten vi dải đơn lẻ ghép với nhau tạo thành một hệ thống anten Phần này sẽ bàn về quá trình thiết kế anten mạch dải. 50Ω. Vậy để phối hợp trở kháng cho anten, ta thêm dải đồng vào giữa các mặt bức xạ. Mảng anten được thiết kế như hình 35 7 Hình 35: Xây dựng mảng anten vi dải với kích thước bề mặt bức xạ 30x34. liên kết với nhau và tạo thành một mảng con, ta tiến hành ghép thêm với 3 mảng con khác để tạo ra mảng gồm có 16 phần tử bức xạ. Trong đó đường dây truyền tải cấp nguồn trong thiết kế antenn vi dải