Thiết kế mảng anten vi dải tần số 2 4GHz

Anten là một thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thông không dây. Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại. Hiện nay, tùy vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi ba, vệ tinh…Ở đầu cuối thì dùng những anten nhỏ gọn như anten Yagi, anten dây… và đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các thiết bị di động thì anten vi dải (microstrip patch antenna) ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng nghiên cứu cải thiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng.Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ mạch dải hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng.Trong đồ án này, chúng ta sẽ quan tâm tới việc thiết kế và mô phỏng một anten vi dải và một mảng anten vi dải với các yêu cầu cho trước như tần số cộng hưởng, độ dày của anten, loại vật liệu sử dụng.Đồ án này gồm 4 chương, tập trung tìm hiểu lý thuyết chung về anten vi dải, trình bày các bước thiết kế một anten vi dải và một số mảng anten vi dải. Sau đó sẽ thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả đạt được.Nội dung chính của từng chương như sau:Chương 1: Lý thuyết cơ bản về Anten vi dảiChương này trình bày về các khái niệm cơ bản, các ưu nhược điểm, ứng dụng của anten vi dải, giới thiệu một số loại anten vi dải, cùng với các thông số cơ bản của một anten vi dải và mô hình phân tích một anten vi dải.Chương 2: Mảng anten vi dảiChương này trình bày cấu tạo và đặc điểm của một số mô hình mảng anten vi dải như mảng tuyến tính hai phần tử, mảng tuyến tính n phần tử và mảng hai chiều. Đặc biệt là mảng tuyến tính EndFire là lý thuyết để thiết kế mảng anten vi dải ở chương 3.Chương 3: Thiết kế mảng anten vi dảiChương này trình bày các bước để thiết kế một Anten vi dải hình chữ nhật sử dụng mô hình đường truyền (Transmission Line Model). Sau đó từ anten thiết kế được ta xây dựng thành một mảng anten vi dải EndFire 4 phần tử và mảng anten hai chiều 2x2 phần tử.Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quảChương này sẽ giới thiệu về phần mềm Ansoft HFSS, sau đó thực hiện mô phỏng với các anten đã thiết kế được ở chương 3. Cuối cùng sẽ phân tích và đánh giá hoạt động của các anten đó.Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án là tính toán thiết kế anten và mảng anten dựa trên các mô hình phân tích anten trên lý thuyết, sau đó thực hiện mô phỏng để kiểm tra các thông số của anten xem đã đúng với yêu cầu thiết kế chưa. Nếu chưa đúng thì thực hiện hiệu chỉnh lại các thông số để thu được kết quả cuối cùng.Đồ án đã thiết kế thành công một anten vi dải, và đã phát triển lên một số mảng anten như mảng tuyến tính EndFire 4 phần tử, mảng hai chiều 2x2 phần tử. Ngoài ra còn xây dựng được đoạn code matlab để tính toán các thông số của một anten vi dải và xây dựng thành công chương trình mô phỏng bằng phần mềm HFSS v11.

LỜI CẢM ƠN Em xin gửi đến Ts Trần Thị Hương lời cảm ơn chân thành với trân trọng lòng biết ơn sâu sắc hướng dẫn đầy chu đáo nhiệt tình cô Cô dẫn dắt, cung cấp tài liệu, tạo cho em cách tư làm việc cách khoa học suốt thời gian thực đề tài luận văn En xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa- Đại học Đà Nẵng hết lòng dạy dỗ truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt năm học trường, nhờ em trang bị tảng kiến thức vững Tôi xin cảm ơn bạn học tập, giúp đỡ, động viên suốt quãng đời sinh viên Đà Nẵng, ngày 21/1/2013 Sinh viên Lê Văn Hiếu BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Giới thiệu anten vi dải, hoạt động anten vi dải, mô hình đường truyền (Transmission Line Model) Lê Văn Hiếu Chương Chương Chương Chương Mô hình hốc cộng hưởng, thông số anten vi dải, phương pháp cấp nguồn cho anten vi dải Nguyễn Văn Thắng Mảng tuyến tính Nguyễn Văn Thắng Mảng hai chiều Lê Văn Hiếu Thiết kế anten vi dải Lê Văn Hiếu Thiết kế mảng tuyến tính Nguyễn Văn Thắng Thiết kế mảng hai chiều Lê Văn Hiếu Mô anten vi dải Lê Văn Hiếu Mô mảng tuyến tính phần tử, phần tử Nguyễn Văn Thắng Mô mảng anten hai chiều Lê Văn Hiếu Code Matlab Lê Văn Hiếu MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: Anten vi dải 1.1 Giới thiệu chương .6 1.2 Đặc tính Anten vi dải 1.3 Ưu nhược điểm Anten vi dải .7 1.3.1 Ưu điểm 1.3.2 Nhược điểm 1.3.3 Ứng dụng 1.4 Các loại Anten vi dải 1.4.1 Anten patch vi dải 1.4.2 Dipole vi dải 1.4.3 Printed Slot Antenna 1.4.4 Microstrip Traveling-Wave Antennas 1.5 Hoạt động anten vi dải 1.6 Mô hình đường truyền (Transmission line) .10 1.6.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 10 1.6.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng 12 1.6.3 Điện dẫn 13 1.6.4 Trở kháng vào tần số cộng hưởng .15 1.7 Mô hình hốc cộng hưởng 17 1.7.1 Các mode trường – TMx 19 1.7.2 Trường xạ anten vi dải 21 1.8 Các thông số khác 22 1.8.1 Độ định hướng 22 1.8.2 Hiệu suất xạ .24 1.8.3 Băng thông độ lợi 25 1.9 Điện dẫn tương hổ hai patch anten vi dải đặt gần 25 1.10 Các kĩ thuật cấp nguồn cho Anten vi dải 26 1.10.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải 26 1.10.2 Cấp nguồn probe đồng trục 27 1.10.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe 28 1.10.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần 28 1.11 Kết luận chương 29 Chương 2: Mảng anten vi dải 2.1 Giới thiệu chương 30 2.2 Mảng hai phần tử .31 2.3 Mảng tuyến tính n phần tử - đồng biên độ đồng khoảng cách .32 2.3.1 Mảng broadside 35 2.3.2 Mảng End-Fire 39 2.3.3 Mảng quét [Phased Array] .41 2.4 Mảng tuyến tính n phần tử - khoảng cách đồng nhất, biên độ không đồng 42 2.4.1 Hệ số mảng .42 2.4.2 Mảng nhị thức 43 2.4.3 Mảng Schebyscheff 45 2.5 Mảng hai chiều 46 2.5.1 Hệ số mảng .46 2.5.2 Độ định hướng 49 2.6 Kết luận chương 49 Chương 3: Thiết kế mảng anten vi dải 3.1 Giới thiệu chương 50 3.2 Lưu đồ thuật toán .50 3.3 Bài toán thiết kế 51 3.4 Thiết kế anten vi dải 52 3.4.1 Một số yêu cầu thiết kế 52 3.4.2 Các bước tính toán thiết kế .52 3.5 Thiết kế mảng anten vi dải tuyến tính .55 3.5.1 Bài toán thiết kế 55 3.5.2 Cấp nguồn cho mảng anten vi dải 55 3.5.3 Mảng anten vi dải phần tử 56 3.5.4 Mảng anten vi dải phần tử 57 3.6 Thiết kế mảng anten vi dải chiều 58 3.7 Kết luận chương 59 Chương 4: Mô đánh giá kết thiết kế 4.1 Giới thiệu chương 60 4.2 Giới thiệu phần mềm HFSS 60 4.3 Các thông số kỹ thuật anten .60 4.4 Mô anten vi dải .61 4.4.1 Thông số anten vi dải .61 4.4.2 Cấu trúc 3D anten vi dải 62 4.4.3 Kết mô 62 4.5 Mô mảng anten vi dải phần tử .65 4.5.1 Thông số mảng anten phần tử .65 4.5.2 Cấu trúc 3D mảng anten phần tử 65 4.5.3 Kết mô 65 4.6 Mô mảng anten vi dải phần tử .68 4.6.1 Thông số mảng anten phần tử .68 4.6.2 Cấu trúc 3D mảng anten phần tử 69 4.6.3 Kết mô 69 4.7 Mô mảng anten hai chiều 72 4.7.1 Thông số mảng anten hai chiều 72 4.7.2 Cấu trúc 3D mảng anten hai chiều 72 4.7.3 Kết mô 73 4.8 Tổng hợp kết mô 75 4.9 Kết luận chương 76 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỂ TÀI 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .79 PHỤ LỤC 81 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, kĩ thuật thông tin truyền số liệu có bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt truyền thông không dây Từ khối mạch số liên kết hữu tuyến dần thay thành hệ thông thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với phương pháp xử lý số tín hiệu cho phép truyền thông tin xa hơn, nên nhiễu lớn hơn, công suất phát thấp dải tần thông tin rộng Anten thiết bị quan trọng thiếu hệ thống truyền thông không dây Nó thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền không gian tự ngược lại Hiện nay, tùy vào mục đích sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến người ta sử dụng nhiều loại anten khác nhau, anten parabol với độ lợi tính định hướng cao thường sử dụng truyền hình, thông tin vi ba, vệ tinh…Ở đầu cuối dùng anten nhỏ gọn anten Yagi, anten dây… đặc biệt với phát triển mạnh mẽ công nghệ thiết bị di động anten vi dải (microstrip patch antenna) ngày sử dụng rộng rãi không ngừng nghiên cứu cải thiện để đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng Điểm mạnh anten vi dải so với loại anten thông thường khác kích thước nhỏ gọn, linh hoạt tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định đặc biệt phù hợp với công nghệ mạch dải sử dụng rộng rãi việc chế tạo mạch in IC chuyên dụng Trong đồ án này, quan tâm tới việc thiết kế mô anten vi dải mảng anten vi dải với yêu cầu cho trước tần số cộng hưởng, độ dày anten, loại vật liệu sử dụng Đồ án gồm chương, tập trung tìm hiểu lý thuyết chung anten vi dải, trình bày bước thiết kế anten vi dải số mảng anten vi dải Sau thực mô đánh giá kết đạt Nội dung chương sau: Chương 1: Lý thuyết Anten vi dải Chương trình bày khái niệm bản, ưu nhược điểm, ứng dụng anten vi dải, giới thiệu số loại anten vi dải, với thông số anten vi dải mô hình phân tích anten vi dải Chương 2: Mảng anten vi dải Chương trình bày cấu tạo đặc điểm số mô hình mảng anten vi dải mảng tuyến tính hai phần tử, mảng tuyến tính n phần tử mảng hai chiều Đặc biệt mảng tuyến tính End-Fire lý thuyết để thiết kế mảng anten vi dải chương Chương 3: Thiết kế mảng anten vi dải Chương trình bày bước để thiết kế Anten vi dải hình chữ nhật sử dụng mô hình đường truyền (Transmission Line Model) Sau từ anten thiết kế ta xây dựng thành mảng anten vi dải End-Fire phần tử mảng anten hai chiều 2x2 phần tử Chương 4: Mô đánh giá kết Chương giới thiệu phần mềm Ansoft HFSS, sau thực mô với anten thiết kế chương Cuối phân tích đánh giá hoạt động anten Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án tính toán thiết kế anten mảng anten dựa mô hình phân tích anten lý thuyết, sau thực mô để kiểm tra thông số anten xem với yêu cầu thiết kế chưa Nếu chưa thực hiệu chỉnh lại thông số để thu kết cuối Đồ án thiết kế thành công anten vi dải, phát triển lên số mảng anten mảng tuyến tính End-Fire phần tử, mảng hai chiều 2x2 phần tử Ngoài xây dựng đoạn code matlab để tính toán thông số anten vi dải xây dựng thành công chương trình mô phần mềm HFSS v11 CHƯƠNG 1: ANTEN VI DẢI 1.1 Giới thiệu chương Trong chương tập trung tìm hiểu lý thuyết chung anten vi dải đặc điểm, ứng dụng…và số thông số anten vi dải phương pháp cấp nguồn, băng thông, công suất xạ, công suất tiêu tán…đặc biệt tìm hiểu Transmission line models – mô hình phân tích anten vi dải bản, sở để thiết kế anten vi dải chương 1.2 Đặc tính Anten vi dải Anten vi dải hay gọi anten mạch vi dải có kích thước nhỏ chế tạo mạch in Thực chất anten vi dải dạng anten có kết cấu xạ kiểu khe Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm phần mặt kim loại (patch) đặt lớp điện môi (dielectric substrate) phận tiếp điện Cấu trúc điển hình phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật cho hình 1.1 Hình 1.1 Anten vi dải [1] Các thông số cấu trúc phần tử anten vi dải chiều dài L, chiều rộng W, bề dày kim loại t, độ dẫn điện kim loại σ, chiều dày lớp điện môi h, số điện môi εr , suy hao tiếp tuyến (loss tangent) lớp điện môi tan (δ) Bản kim loại mỏng, nhỏ nhiều so với bước sóng truyền không gian tự (bề dày t [...]... tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire 1.5 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... Đặc biệt chúng ta đã phân tích một anten vi dải có patch hình chữ nhật bằng mô hình đường truyền và mô hình hốc cộng hưởng, là cở sở lý thuyết để thiết kế một anten vi dải CHƯƠNG 2: MẢNG ANTEN VI DẢI 2. 1 Giới thiệu chương Trong chương trước ta đã thảo luận và phân tích về các đặc tính của một phần tử anten vi dải đơn lẻ Tuy nhiên, búp sóng bức xạ của một anten vi dải thường tương đối rộng và có độ.. .Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông(square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu (semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annularring) Hình 1 .2 Các dạng anten vi dải thông dụng Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải, ... TMx010, tần số cộng hưởng của nó cho bởi công thức: ( f r ) 010 = 1 2 L µε = v0 2L ε r [13] (1 -26 ) Với v0 là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do Nều L > W > L /2 > h mode bậc cao hơn kế tiếp (thứ hai) là TMx001, tần số cộng hưởng của nó cho bởi: ( f r ) 001 = 1 2W µε = v0 2W ε r (1 -27 ) 25 Nếu L > L /2 > W > h, mode cấp hai là TMx 020 (thay vì là TMx001), tần số cộng hưởng cho bởi: ( f r ) 020 = v 1... một dipole Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi 1.4 .2 Dipole vi dải Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống nhau tuy nhiên ở... = 0, B2 = 0, B3 = 0 24 kx = mπ m = 0,1 ,2, … h ky = nπ n = 0,1 ,2 h kz = pπ p = 0,1 ,2 h Từ các kết quả trên, ta có: Ax = Amnp cos(k x x ') cos(k y y ') cos(k z z ') (1 -23 ) Với Amnp là hệ số biên độ của các mode mnp Còn m,n,p chính là số nửa bước sóng dọc theo các trục tương ứng x, y, z Ta có: 2 2 2  mπ   nπ   pπ  k +k +k = ÷ + ÷ + ÷  h   L  W  2 x 2 y 2 z (1 -24 ) Với krchính là hệ số truyền... L µε L ε r (1 -28 ) Nếu W > L > h mode ưu thế là TMx001, tần số cộng hưởng cho bới công thức (1 -27 ) Trong khi nều W > W /2 > L > h thì mode cấp hai là TMx0 02 1.7 .2 Trường bức xạ của anten vi dải Trường bức xạ anten vi dải chính là tổng trường bức xạ từ hai phần tử mảng, trong đó mỗi phần tử biểu diễn cho một khe Khi hai khe giống nhau ta có thể tính trường tổng cộng bằng cách dung hệ số mảng cho hai khe... điện môi Từ đây ta tính được tần số cộng hưởng: ( f r ) mnp = 1 2 µε 2 2 2  mπ   nπ   pπ   ÷ + ÷ + ÷  h   L  W  (1 -25 ) Để xác định mode ưu thế có cộng hưởng thấp nhất, ta cần xem xét các tần số cộng hưởng Mode ứng với tần số cộng hưởng thấp nhất gọi là mode ưu thế Những tần số cộng hưởng bậc cao hơn xác định bậc của chế độ hoạt động Đối với hầu hết các anten vi dải h