Thiết kế và mô phỏng broadband planar monopole antennas

Thiết kế và mô phỏng broadband planar monopole antennas

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC  Trần Việt Khánh : Tìm hiểu lý thuyết, tính toán các thông số của anten. Vẽ mô phỏng, kiểm tra kết quả mô phỏng và trình bày đồ án.  Trần Quang Khanh : Tìm hiểu lý thuyết, tính toán các thông số của anten. Kiểm tra và chỉnh sửa kết quả mô phỏng. Trang 1 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án này không sao chép từ bất kì đồ án hoặc tài liệu nào đã có từ trước đó. Trang 2 LỜI NÓI ĐẦU Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, …; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten. Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication,890–960MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp, và mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Đồ án tập trung tìm hiểu và thiết kế một Boadband Planar Monopole Antennas. Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng. Đồ án gồm 2 chương : Chương 1: Lý thuyết chung về anten. Chương 2: Boadband Planar Monopole Antennas. Do thời gian có hạn nên em chỉ tìm hiểu sơ qua về lý thuyết anten nói chung và Boadband Planar Monopole Antennas nói riêng, đồng thời thiết kế và mô phỏng 1 anten đơn giản. Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi sai sót, mong các thầy cô góp ý và giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt hơn. Em xin cảm ơn thầy cô và bạn bè đã giúp em hoàn thành đồ án này ! Trang 3 MỤC LỤC 39 Trang 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Chức năng của anten. Hình 1.2: Một số loại anten khác nhau. Hình 1.3: Các trường bức xạ tại khu xa. Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten. Hình 1.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten. Hình 1.6: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính. (a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten. (b). Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó. Hình 1.7: Các vùng trường của một anten. (a). Sự quay của vector điện trường (b). Phân cực elip ở z = 0. Hình 1.8: Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian. Hình 2.1: (a) MSA treo trong không khí, (b) Sửa đổi nguồn cấp dữ liệu của MSA, (c) Planar Monopole Antenna Hình 2.2: Mặt bên và mặt trước của RMSA. Hình 2.3: VSWR và trở kháng đầu vào đo được. Bảng 2.1: Tần số cộng hưởng và tỉ lệ % BW của RMSA với L=W=12cm đối với các giá trị h khác nhau. Hình 2.4:(a)Trở kháng đầu vào;(b)VSWR đối với h=18cm ( ) và h=∞( ). Hình 2.5: Trở kháng đầu vào và VSWR đối với p=0.05cm ( ) và p=0.2cm ( ). Hình 2.6: Trở kháng đầu vào; VSWR đối với W=4.5cm ( ) và W=3.5cm ( ) với L=4.5cm và p=0.2cm. Hình 2.11: (a) Anten TMA; (b) Anten TMB. Hình 2.12: (a) Anten HMA ;(b) Anten HMB. Hình 2.13: Kết quả đo VSWR của 2 loại anten HMA( ), HMB( ). Hình 3.14: Trở kháng đầu vào và VSWR của anten CM. Hình 2.15: Trở kháng đầu vào và VSWR của (a) EM1A và (b) EM1B. Hình 2.16: VSWR đối với các loại anten EM có tỉ lệ ellipticity ( a/ b ) khác nhau : (a) EMA và (b) EMB ( )tỉ lệ 1.2;( )tỉ lệ 1.3;( )tỉ lệ 1.4. Bảng 2.3: So sánh BW và VSWR của CM và các EM khác nhau. Hình 2.18: Trở kháng đầu vào và VSWR của anten RM Với L=28 cm, W=22 cm và p=0.7 cm. Bảng 2.6: Bảng giá trị của 1 số loại cáp đồng trục. Trang 5 Hình 2.19: Giá trị S 11 đối với p=0.1cm và các giá trị d= 3cm và d=5cm. Hình 2.20: Giá trị S 11 đối với p=0.2 cm và các giá trị d= 3cm, d=5cm và d=7cm. Hình 2.21: Giá trị S 11 đối với p=0.3 cm và các giá trị d= 3cm, d=5cm và d=7cm. Hình 2.21: Hình mô phỏng bằng HFSS Hình 2.22: Kết quả mô phỏng S 11 . Trang 6 1. THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN: 1.1. Giới thiệu:  Khái niệm: Anten là thiết bị có thể bức xạ ( anten phát) hoặc thu nhận ( anten thu) sóng điện từ trong không gian. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guilding device).  Phân loại anten:  Về chức năng, có 2 loại anten cơ bản là anten phát và anten thu: • Anten phát : Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện từ tự do lan trong không trung. • Anten thu: Tập trung sóng điện từ lan trong không trung thành tín hiệu điện cao tần đưa đến máy thu. Hình 1.1: Chức năng của anten.  Phân loại theo hình dạng: • Anten dây: dipole ( lưỡng cực), loop (vòng), helix (lò xo), • Độ mở của anten : horn (loa), slot (khe), • Printed antennas : patch (bảng), spiral (xoắn),  Phân loại theo độ lợi: • Độ lợi lớn : Anten đĩa. • Độ lợi trung bình: Horn. • Độ lợi bé : diople, loop, slot, patch. Ngoài ra còn có phân loại theo búp sóng, băng thông, Trang 7 Hình 1.2: Một số loại anten khác nhau. 1.2. Các tham số cơ bản của anten: Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, … 1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten : Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra: Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này ràng buộc với anten; còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa). Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten. Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì. Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường (xem Hình 1.3). Trang 8 Hình 1.3: Các trường bức xạ tại khu xa. Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điện từ. Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do. Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển. Trường ở khu xa là các sóng phẳng. Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn. Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng. 1.2.2. Giản đồ bức xạ : Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten. Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian”. Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa. Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi. Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong Hình 1.4. Trang 9 Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten. Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D. Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của φ , và giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết.  Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng. Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực. Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại. Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình 1.5. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với [ f(φ), θ =π /2 ] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g (θ), φ= const ] . Hình 1.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten. Trang 10 [...]... kháng đầu vào; VSWR đối với W=4.5cm ( -) và W=3.5cm ( với L=4.5cm và p=0.2cm 2.3 ) Planar Monopole Antennas hình tam giác và lục giác: Những loại Planar Monopole Antennas được tìm hiểu tiếp theo là hình tam giác và hình lục giác (TM và HM) Diện tích bề mặt và các thông số khác của các anten được giữ giống như các anten hình chữ nhật và hình vuông để dễ dàng so sánh 2.3.1 Planar Monopole Antennas hình... d=5cm và d=7cm Qua so sánh các kết quả thu được, ta chọn p = 0.3cm và d = 5 cm Từ các số liệu, ta có hình mô phỏng bằng HFSS: Hình 2.21: Hình mô phỏng bằng HFSS Kết quả mô phỏng được thể hiện Hình 2.22, thể hiện giá trị S11 Trang 34 Hình 2.22: Kết quả mô phỏng S11 2.7 Kết luận : Trang 35 Một đĩa kim loại được cấp nguồn ở ngoại biên của nó thông qua một đầu trục vuông góc với mặt đất trở thành một Planar. .. theo lý thuyết được tính bằng cách sử dụng (18) và (8) là nằm trong khoảng ± 7,.5% đối với hầu hết các trường hợp như thể hiện trong Bảng 2.3 2.6 Thiết kế các ví dụ về các Planar Monopole Antennas: Dựa trên việc phân tích các anten khác nhau ở các mục trên, từ đó ta thiết kế 2 ví dụ về các Planar Monopole Antennas trình bày như sau: 2.6.1 Planar Monopole Antennas cho 225-400 MHz : Trong ví dụ sau, ta... khi sử dụng biểu thức cho một Planar Monopole Antennas 2.2.3 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối với Planar Monopole Antennas hình vuông: Các phần trước ta thấy rằng Planar Monopole Antennas hình chữ nhật (RM) có BW lớn BW của các anten phụ thuộc chủ yếu vào độ rộng W của các đĩa, đường kính d và chiều dài p của đầu cấp nguồn kim loại Các SMA thường sử dụng trên 1GHz, và do đó, d được giữ cố định... đất, có BW tăng lên cùng với sự gia tăng đường kính của nó Một Planar Monopole Antennas có thể tương đương với một Monopole Antennas hình trụ với đường kính lớn có cùng hiệu quả Trang 18  Planar Monopole Antennas có thể được xem như là một MSA trên một chất nền rất dày với Єr= 1, do đó BW sẽ lớn Hình dạng và kích thước của các Planar Monopole Antennas có thể được tối ưu hóa để có được đường tròn VSWR... hỗ trợ kích thước của một Planar Monopole Antennas lớn Do đó, đường kính của đầu trục kim loại được thực hiện là 0.4 cm Đối với p = 0.7 cm, trở kháng đầu vào và VSWR lý thuyết được trình bày trong Hình 2.18 Trong dải tần số mong muốn của 225-400 MHz, các VSWR < 2 Trang 30 Hình 2.18: Trở kháng đầu vào và VSWR của anten RM Với L=28 cm, W=22 cm và p=0.7 cm 2.6.2 Planar Monopole Antennas cho 2-6GHz : Dải... nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau Đối với dải trên thông thường cần phải có từng anten riêng biệt để phủ toàn bộ dải sóng Nhưng đối với một Planar Monopole Antennas, chỉ cần duy nhất một anten là đã có thể thiết kế để có thể bao phủ toàn bộ dải tần số Đối với BW rất lớn, một anten RM sẽ không đáp ứng yêu cầu, nhưng một Planar Monopole Antennas hình tròn hoặc hình elip như mô tả tại mục 3.4 và 3.5 có... các Planar Monopole Antennas tăng (hoặc giảm), sẽ giảm tần số cạnh dưới f L (hoặc tăng) khá rõ ràng Do đó, ảnh hưởng của chiều rộng W và chiều dài p vào hiệu suất của anten được được thể hiện như sau: Trang 22 Planar Monopole Antennas hình chữ nhật (RM) và hình vuông (SM) được phân tích bằng phần mềm IE3D Ban đầu, ảnh hưởng của p được kiểm tra bằng cách giữ L = W = 4.5cm Trở kháng và VSWR đầu vào với... đó có thể được gỡ bỏ Cấu trúc này sẽ trở thành tương tự như một Planar Monopole Antenna, được thể hiện như trong Hình 2.1(c) Hình 2.1: (a) MSA treo trong không khí, (b) Sửa đổi nguồn cấp dữ liệu của MSA, (c) Planar Monopole Antenna Planar Monopole Antennas có BW rất lớn, có thể được giải thích trong hai cách sau đây:  Planar Monopole Antennas thường bao gồm một đầu trục kim loại dọc mỏng gắn trên... đưa ra bởi các công thức : L = 2a (16) r=a/4 (17) Đối với p = 0.1 cm, trở kháng đầu vào và VSWR đo được thể hiện trong Hình 3.14 BW cho VSWR = 2 là từ 1.17 GHz đến 12 GHz, tương ứng với tỷ lệ BW 1: 10,2 Trang 26 Hình 3.14: Trở kháng đầu vào và VSWR của anten CM 2.5 Planar Monopole Antennas hình Elip: Một Planar Monopole Antennas hình elip (EM) là một trường hợp tổng quát của các anten tròn, trong đó trục . của anten. Vẽ mô phỏng, kiểm tra kết quả mô phỏng và trình bày đồ án.  Trần Quang Khanh : Tìm hiểu lý thuyết, tính toán các thông số của anten. Kiểm tra và chỉnh sửa kết quả mô phỏng. Trang 1 LỜI. chung và Boadband Planar Monopole Antennas nói riêng, đồng thời thiết kế và mô phỏng 1 anten đơn giản. Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi sai sót, mong các thầy cô góp ý và giúp. giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Đồ án tập trung tìm hiểu và thiết kế một Boadband Planar Monopole Antennas. Đồng