Thiết kế anten vi dải băng tần kép

2.1 Tổng quan lý thuyết antenAnten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian tự do. Dựa vào các thông số kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như giản đồ bức xạ, mật độ công suất bức xạ, cường độ bức xạ, hệ số định hướng, hệ số tăng ích, băng thông, trở kháng vào…, ta có thể tính toán, thiết kế một anten theo đúng yêu cầu sử dụng.2.2 Anten vi dảiAnten vi dải là một trong sự phát triển công nghệ chế tạo linh kiện, các thiết bị di động, có kích thuớc rất nhỏ có cấu tạo gồm một lớp kim loại là mặt bức xạ, một lớp kim loại khác gọi là mặt dất (màn chắn kim loại ), một lớp diện môi giữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp diện. Anten vi dải có nhiều hình dạng nhý hình tròn, hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật... trong ðó, loại phổ biến nhất có kết cấu hình chữ nhật vì có hýớng tính, ðộ lợi cao ðồng thời dễ kết hợp với các mạch diện tử trên cùng một mạch in.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG TẦN KÉP Người thực Lớp Người hướng dẫn : Nguyễn Thanh Tuấn : 09DT2 : TS Trần Thị Hương Đà Nẵng – 2014 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án chép đồ án công trình có từ trước Đà Nẵng, ngày 25 tháng năm 2014 Sinh viên thực Nguyễn Thanh Tuấn MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BW Bandwidth Băng thông CW Clockwise FEM Finite element method GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Phương pháp phần tử hữu hạn HFSS Hight Frequency Structure Simulator MIC Microwave integrated circuit Mạch tích hợp MSA Microstrip Antennas MTA Microstrip Anten traveling-wave vi dải Anten vi dải Traveling-Wave Antennas RF Radio over Fiber LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, thông tin truyền số liệu có bước phát triển mạnh mẽ Việc khối mạch số liên kết hữu tuyến dần thay thành hệ thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với phương pháp xử lý số tín hiệu cho phép truyền thông tin xa hơn, nhiễu lớn hơn, công suất phát thấp dải tần thông tin rộng Do đó, quy mô hệ thống thông tin anten phải chọn cho phù hợp 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 vi dải sử dụng rộng rãi việc chế tạo mạch in IC chuyên dụng Không thế, anten vi dải phù hợp với cấu trúc mảng anten (array antenna) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng kết hợp với giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành anten thông minh nhiều ứng dụng kĩ thuật cao Đặc biệt WLAN hay WiFi công nghệ không dây giới thiệu phổ biến từ cuối năm 1990, thực bùng nổ năm gần Công nghệ WLAN phát triển theo tiêu chuẩn : Chuẩn 802.11b phiên thị trường Chuẩn 802.11b, 802.11g phát tín hiệu tần số 2.4 GHz, xử lý đến 11Mb/s Chuẩn 802.11a phát tần số 5GHz đạt đến 54 Mb/s Đồ án tập trung nghiên cứu lý thuyết anten vi dải đồng thời tính toán thiết kế anten vi dải cho hệ thống WLAN sử dụng chuẩn 802.11a Trong đồ án sử dụng phần mềm thông dụng để tính toán mô anten vi dải HFSS, nhờ vào ưu điểm giao diện 3D để xem cách tổng quát độ định hướng búp sóng Hiểu tầm quan trọng vấn đề này, em chọn việc “ Thiết kế anten vi dải băng tần kép 1.6GHz 2.4GHz cho GPS WIRELESS” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp Đề tài gồm chương sau :  CHƯƠNG : LÝ THUYẾT ANTEN  CHƯƠNG : ANTEN VI DẢI  CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ANSOFT HFSS,THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG TẦN KÉP Kết mô cho anten thiết kế đồ án tương đối phù hợp Dựa vào phân tích kết đồ án đưa nguyên nhân gây sai lệch Đồng thời đề phương hướng giải phương hương nghiên cứu nhằm cải thiện đặc tính anten CHƯƠNG CHƯƠNG LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Giới thiệu chương Anten thiết bị quang trọng thiết bị vô tuyến, dùng để thu xạ lượng dạng trường điện từ không gian.Việc tìm hiểu lý thuyết anten tạo sở để thiết kế phân tích hoạt động anten Ở chương này, em xin trình bày cấu trúc chung anten, nguyên lý xạ thông số anten 1.2 Lý thuyết anten 1.2.1 Giới thiệu anten Anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng Hay nói cách khác anten thiết bị dùng để xạ sóng điện từ (anten phát) thu nhận sóng từ (anten thu) từ không gian bên Giữa máy phát anten phát máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi fide Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng Trong hệ thống này, máy phát tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo fide tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát biến đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự truyền không gian Trong máy thu, anten có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự CHƯƠNG không gian bên Anten thu tiếp nhận phần lượng điện từ an ten phát truyền đi, phần lượng lại xạ vào không gian Anten thu biến sóng điện từ tự thành sóng điện từ ràng buộc truyền qua fide đến máy thu Hầu hết thiết bị di động có anten đảm nhận hai chức nhận thu Yêu cầu đặt cho thiết bị anten fide phải thực việc biến đổi truyền dẫn lượng với hiệu suất cao mà không gây méo dạng tín hiệu Hình 1.2 thể phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten hình 1.1 làm việc chế độ phát Nguồn thể tạo dao động lýtưởng Vg, anten thể tải Z , với [Z = (R + R )+j.X ], đường A A L r A truyền dẫn thể đường dây với trở kháng đặc trưng Zc Trở kháng tải R thể mát điện môi vật dẫn gắn với cấu trúc anten Trở kháng R L r gọi trở kháng xạ, thể xạ sóng điện từ anten Điện kháng X A thể phần ảo trở kháng kết hợp với xạ anten Trong điều kiện lý tưởng, lượng tạo nguồn từ máy phát truyền hoàn toàn tới trở kháng xạ R Tuy nhiên hệ thống thực tế, luôn có tổn r hao điện môi tổn hao vật dẫn, mát phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) điểm tiếp điện đường truyền anten CHƯƠNG Hình 1.2 Mô hình tương đương Thevenin cho hệ thống anten Sóng tới bị phản xạ điểm tiếp điện đường truyền dẫn đầu vào anten Sóng phản xạ với sóng truyền từ nguồn thẳng tới anten giao thoa tạo thành sóng đứng (standing wave) đường truyền dẫn, đường truyền xuất nút bụng sóng đứng Nếu thiết kế hệ thống anten không xác, đường truyền giống thành phần lưu giữ lượng thiết bị dẫn sóng truyền lượng Đường truyền dẫn bị phá hủy cường độ trường cực đại sóng đứng đủ lớn Tổng mát đường truyền phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten sóng đứng Tổn hao đường truyền tối thiểu hóa cách chọn đường truyền tổn hao thấp, tổn hao anten giảm cách giảm trở kháng tải R Sóng đứng L giảm khả lưu trữ lượng đường truyền tối thiểu cách phối hợp trở kháng anten với trở kháng đặc trưng Zc đường truyền Tức phối hợp trở kháng anten với đường truyền Mô hình tương đương Thevenin hệ thống anten chế độ thu tương tự anten phát, nguồn thay thu Tất phần khác mô hình tương đương tương tự Trở kháng phát xạ R sử dụng để thể chế r độ thu nhận lượng điện từ từ không gian tự truyền tới anten CHƯƠNG Ngoài việc xạ hay thu nhận lượng, anten có nhiệm vụ định hướng lượng xạ mạnh theo vài hướng triệt tiêu lượng hướng khác Do đó, anten cần phải có vai trò thiết bị xạ hướng tính Thực tế, anten có nhiều hình dạng khác tùy mục đích cụ thể 1.3 Các thông số anten Phần trình bày số khái niệm anten như: xạ sóng, trường xạ giản đồ trường xạ, độ định hướng, phân cực sóng, trở kháng vào, tần số cộng hưởng, băng thông … 1.3.1 Sự xạ sóng điện từ anten Khi lượng truyền từ nguồn tới anten tạo trường: trường cảm ứng (trường gần), trường ràng buộc với anten, trường thứ hai trường xạ (trường xa) Tại khu vực gần anten (trong trường gần), cường độ trường lớn tỉ lệ tuyến tính với lượng lượng truyền đến anten Tại khu xa, có trường xạ trì trường gần suy hao Trường khu xa gồm thành phần điện trường từ trường vuông góc với hình 1.3 Hình 1.3 Các trường xạ khu xa Điện trường từ trường xạ từ anten hình thành nên trường điện từ Sóng vô tuyến trường điện từ di chuyển Sóng đường truyền đi, 10 CHƯƠNG Hình 3.15 Chương trình tính toán anten vi dải website y0 = Z  L cos −1  ÷ = 1.2cm π  Z1  Dưới thông số anten vi dải hình chữ nhật WIRELESS: εr = 2.33 Hệ số điện môi f1 = 2.4GHz Tần số hoạt động c = x1010 (cm / s ) Vận tốc ánh sáng Patch hpatch - Chiều cao miếng patch: Chiều rộng: Chiều dài: =0.005 cm W = 4.844 cm L = 3.937 cm - Chiều cao lớp Chiều rộng lớp Chiều dài lớp 0.152 cm 15 cm 20 cm Lớp Lớp đất CHƯƠNG - Chiều cao lớp đất Chiều rộng lớp Chiều dài lớp đất 0.005 cm 15 cm 20 cm Hộp không khí - Chiều cao hộp không khí 10.79cm Chiều rộng hộp không khí 20 cm Chiều dài hộp không khí 25 cm Điểm cấp nguồn - y0 = 1.2cm 3.5.2 Mô Hình 3.16 Cửa số chương trình mô Hình 3.17 Thông số S11 CHƯƠNG Dựa vào hình 3.17 ta thấy thông số S11 đạt yêu cầu -10dB Tuy nhiên lại không đạt tần số 2.4GHz theo yêu cầu em sửa thông số y0 = 1.53cm Hình 3.18 Thông số S11 sau modified 3.5.3 Kết Tại ngang -10dB, băng thông anten từ 2.391 GHz đến 2.408 GHz Băng thông 17MHz 3.6 Thiết kế, mô khảo sát anten vi dải cho GPS WIRELESS 3.6.1 Thiết kế Yêu cầu: - GPS hoạt động tần số 1.6 GHz WIRELESS hoạt động tần số 2.4 GHz - Chất ( RT/duroid 5870) với hệ số điện môi 2.33 ( h độ cao chất với 3.2 mm (h=3.2 mm) εr = 2.33 Các thông số thiết kế: Dưới cách tính thông số cần thiết anten vi dải hình chữ nhật GPS: a Tính chiều rộng ( W) W= c f1 3x1010 = ε r + x1.6 x109 Trong c = x1010 (cm / s ) b Tính số điện môi hiệu dụng ε reff = 7.265 cm 2.33 + ) CHƯƠNG ε reff ε +1 ε −1 h = r + r 1 + 12  2  W − 1/2 2.33 + 2.33 −  0.32  = + + 12 2  7.265  − 1/2 = 2.203 c Tính chiều dài mở rộng miếng patch ∆L = hx 0.412 W 7.265 + 0.264) (2.203 + 0.3) x( + 0.264) h 0.32 = 0.32 x0.412 = 0.1658cm W 7.265 − 0.258) x( + 0.8) (2.203 − 0.258) x( + 0.8) h 0.32 (ε reff + 0.3) x( (ε reff d Tính chiều dài( L) chiều dài hiệu dụng ( L= Leff ) λ c x10 − 2∆L = − 2∆L = − x0.1658 = 5.81cm 2 f1 x ε r x1.6 x109 2.33 10 Leff = L + 2∆L = 5.81 + x0.1658 = 6.14cm Dưới cách tính thông số cần thiết cho anten vi dải hình chữ nhật WIRELESS: e Tính chiều rộng ( W) c W= f2 Trong x1010 = ε r + x 2.4 x109 c = 3x1010 (cm / s ) f Tính số điện môi hiệu dụng ε reff = 4.844 cm 2.33 + ε +1 ε −1 h = r + r 1 + 12  2  W ε reff − 1/2 2.33 + 2.33 −  0.32  = + + 12 2  4.844  − 1/2 = 2.162 g Tính chiều dài mở rộng miếng patch ∆L = hx0.412 W 4.844 + 0.264) (2.162 + 0.3) x( + 0.264) h 0.32 = 0.32 x0.412 = 0.1647 cm W 4.844 − 0.258) x( + 0.8) (2.162 − 0.258) x( + 0.8) h 0.32 (ε reff + 0.3) x( (ε reff h Tính chiều dài( L) chiều dài hiệu dụng ( Leff ) CHƯƠNG λ c x1010 L = − 2∆L = − ∆L = − x0.1647 = 3.765cm 2 f2 x εr x2.4 x109 2.33 Leff = L + 2∆L = 3.765 + x0.1647 = 4.0944cm • Tính Zin anten tính theo http://www.emtalk.com/mpacalc.php Z in _ WIRELESS = 87.39  Hình 3.19 Trở kháng đặc tính Z in _ WIRELESS ohm Z1_ WIRELESS = Z in _ WIRELESS *100 = 87.39*100 = 93.48 ohm CHƯƠNG Z in _ GPS = 571.92 •  Hình 3.20 Trở kháng đặc tính Z in _ GPS ohm Z1_ GPS = Z in _ GPS *100 = 571.92*100 = 239.15 ohm Thiết kế đường truyền vi dải (transmission line) Hình 3.21Mô hình đường truyền vi dải Bề mặt w0 đường microstrip line tính toán phù hợp với thông số điện trở : Với ε r = 2.33, h = 3.2mm http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/ms_line_e.htm - Z = 100 ohm: Được tính theo CHƯƠNG Hình 3.22 Chương trình tính toán đường truyền vi dải website( W=2.60 mm Z = 50 Z = 100 ) ohm Hình 3.23 Chương trình tính toán đường truyền vi dải website( W=9.2 mm Z = 50 ) CHƯƠNG Z1_ WIRELESS = 93.48 ohm Hình 3.24 Chương trình tính toán đường truyền vi dải website( W=3.03 mm Z1_ GPS = 239.15 ohm Z = 93.48 ) CHƯƠNG Z = 239.15 Hình 3.25 Chương trình tính toán đường truyền vi dải website( W=0.0796 mm ε r = 2.33, h = 3.2mm Bảng 3.1 Cách thông số đường microstrip line với Zo (ohm) 100 50 93.48 239.15 ) w0(mm) 2.60 9.2 0.12 0.0796 Bảng 3.2 Dưới thông số yêu cầu anten vi dải hình chữ nhật GPS WIRELESS Hệ số điện môi εr = 2.33 Tần số hoạt động f1 = 1.6GHz f = 2.4GHz , Vận tốc ánh sáng c = x1010 (cm / s) Patch hpatch - Chiều cao miếng patch: Chiều rộng: Chiều dài: =0.5 mm W = 61.2cm L = 36.8 cm - Chiều cao lớp Chiều rộng lớp Chiều dài lớp 3.2 mm 194.21 mm 210 mm - Chiều cao lớp đất Chiều rộng lớp Chiều dài lớp đất Lớp Lớp đất 3.2 mm 194.21 mm 210 mm Hộp không khí - Chiều cao hộp không khí 250 mm Chiều rộng hộp không khí 300 mm CHƯƠNG - Chiều dài hộp không khí 300 mm Bảng 3.3 Các thông số anten vi dải hình chữ nhật GPS WIRELESS Patch Lớp - Chiều cao lớp : 3.2 mm - Chiều cao miếng patch: =0.5 mm - Chiều rộng lớp nền: 194.21 mm - Chiều rộng : W = 37.65 mm - Chiều dài lớp : 210 mm - Chiều dài : L = 58.1 mm Lớp đất Hộp không khí hpatch - Chiều cao lớp đất: 3.2 mm - Chiều rộng lớp : 194.21 mm - Chiều dài lớp đất : 21mm GPS Strip Line - Chiều cao hộp không khí : 250 mm - Chiều rộng hộp không khí : 300 mm - Chiều dài hộp không khí : 300 mm WIRELESS Strip Line W2 _ GPS _ Stripline = 2.6 mm W2 _ WIRELESS _ Stripline = 2.6 mm W1_ GPS _ Stripline = 0.0796mm W1_ WIRELESS _ Stripline = 3.03 mm W0 = 9.2mm 3.6.2 Mô Hình 3.26 Cửa số chương trình mô CHƯƠNG Hình 3.27 Thông số S11 Hình 3.28 VSWR Kết thu được: Độ rộng băng thông thu đuợc (như hình 3.27) -10dB GPS 15MHz ( 1.589GHz – 1.604GHz) WIRELESS 13MHz (2.395GHz – 2.408GHz) Tỉ số sóng đứng (VSWR) thỏa mãn yêu cầu Hình 3.29 Giản đồ xạ tọa độ cực anten tần số 1.6 GHz CHƯƠNG Hình 3.30 Giản đồ xạ tọa độ cực anten tần số 2.4GHz 3.7 Kết luận chương Trong chương đồ án giới thiệu toán thiết kế anten vi dải có patch hình chữ nhật Giới thiệu phần mềm ANSOFT HFSS bước mô anten vi dải Dựa công thức tính toán lý thuyết việc thiết kế mô thực phần mềm ANSOFT HFSS KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI • KẾT LUẬN: Những kết đạt qua đề tài này:  Nêu điểm mạnh điểm yếu anten vi dải  Tìm hiểu sâu lý thuyết anten vi dải áp dụng lý thuyết thiết kế để thiết kế anten băng tần kép  Dùng phần mềm ANSOFT HFSS để mô cho MSA từ thiết kế đưa kết mô  Kết thu được: độ rộng băng thông thu đuợc (như hình 3.27) -10dB GPS 15MHz ( 1.589GHz – 1.604GHz) WIRELESS 13MHz (2.395GHz – 2.408GHz) Tỉ số sóng đứng (VSWR) thỏa mãn yêu cầu Tuy nhiên băng thông hạn chế, chưa đạt yêu cầu tốt cho GPS WIRELESS cần phải cải thiện phát triển thêm đề tài để nâng cao băng tần anten trình bày phần hướng phát triển đề tài • HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI : Với tiến công nghệ, đòi hỏi thiết bị ngày tinh vi hiệu cao thiết bị nhỏ gọn Chính mà việc nghiên cứu thiết kế dạng anten vi dải nhỏ gọn hiệu suất cao ngày trọng phải mở rộng thêm băng tần Như hướng phát triển đề tài tập trung vào vấn đề thiết yếu sau đây:  Tiếp tục đưa dạng anten vi dải với nhiều tính vượt trội băng thông, độ lợi hiệu suất… phù hơp cho hệ thống thông tin ngày  Nghiên cứu cách cấp nguồn khác cho anten không ảnh hưởng nhiều tới trường xạ, kiểu mảng khác để xạ đạt cực đại  Mở rộng băng thông ta dùng phương pháp sau:  Phương pháp 1: Ta thường tăng chiều cao h điện môi, giảm hệ số điện môi Tuy nhiên giảm hệ số điện môi thấp εr ≈ tăng h cao lại ảnh hưởng tới phân cực sóng, trường xạ phức tạp có nhiều mode sóng công thức tính W,L trở nên phức tạp khó xác định.Ngoài phương pháp có nhược điểm tăng chiều cao lớp điện môi h dẫn tới thay đổi kích thước lớn dần anten, dẫn tới khó thực mạch in ảnh hưởng nhiều tới quy tắc thiết kế mảng bới lúc mảng lớn  Phương pháp 2: Bao gồm việc thêm yếu tố nhiễu loạn, xáo trộn dòng chảy bề mặt patch xạ anten  Phương pháp 3: Sử dụng thêm nhiễu loạn, xáo trộn feedline anten Ground Plane TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu: [1] PGS.TS Tăng Tấn Chiến, Tương thích điện từ, NXB Giáo Dục Việt Nam – 2010 [2] TS.Nguyễn Văn Cường, Kỹ Thuật Anten [3] David M Pozar, Microwave Engineering, Jonhn Wiley & Sons, Inc, 2005 [4] W.L Stutzman and G.A Thiele, Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc, 2005 Website : [5] Antenna-Threory.com [6] http://www.emtalk.com/mpacalc.php [7] http://www.emtalk.com/mscalc.php [...]... dạng anten vi dải CHƯƠNG 2 Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải • 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(L