NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG EPU ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN Giảng viên hƣớng dẫn: ThS HOÀNG THỊ PHƢƠNG THẢO Sinh viên thực hiện: ĐẶNG NGỌC HÙNG Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Lớp: Đ6-ĐTVT1 Khóa: 2011-2016 Hà Nội – tháng năm 2016 TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG EPU ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN Giảng viên hƣớng dẫn: ThS HOÀNG THỊ PHƢƠNG THẢO Sinh viên thực hiện: ĐẶNG NGỌC HÙNG Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Lớp: Đ6-ĐTVT1 Khóa: 2011-2016 Hà Nội – tháng năm 2016 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Hoàng Thị Phƣơng Thảo, cô tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án Không có giúp đỡ lời khuyên vô giá cô, đồ án em đƣợc hoàn thành Em muốn cảm ơn sâu sắc tới gia đình em Gia đình yêu thƣơng, ủng hộ giúp đỡ em không thời gian làm đồ án mà khóa học Hà Nội, tháng năm 2016 Sinh viên Đặng Ngọc Hùng NHẬN XÉT (của giảng viên hƣớng dẫn) NHẬN XÉT (của giảng viên phản biện) MỤC LỤC Nội Dung CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 1.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các tham số anten 1.1.3 Phân loại anten 15 1.2 ĐƢỜNG TRUYỀN VI DẢI VÀ ANTEN VI DẢI 17 1.2.1 Đƣờng truyền vi dải 17 1.2.2 Anten vi dải 19 CHƢƠNG II: ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN 26 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG .26 2.1.1 Dải thông tần 26 2.1.2 Dải tần công tác 27 2.2 MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CỦA ANTEN VI DẢI .28 2.2.1 Giới thiệu 28 2.2.2 Ảnh hƣởng tham số chất tới băng thông .30 2.2.3 Lựa chọn hình dạng thành phần xạ thích hợp 32 2.2.4 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp 33 2.2.5 Kỹ thuật kích thích đa mode 34 2.2.6 Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác 42 2.3 ANTEN VI DẢI NHIỀU BĂNG TẦN .44 2.3.1 Anten vi dải tần số cộng hƣởng .44 2.3.2 Anten vi dải nhiều tần số cộng hƣởng 46 2.4 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG DẢI RỘNG 46 2.4.1 Ý nghĩa việc phối hợp trở kháng .46 2.4.2 Phối hợp trở kháng dải rộng .47 2.4.3 Một số phối hợp trở kháng dải rộng 50 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN 58 3.1 GIỚI THIỆU 58 3.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BỨC XẠ 59 3.3 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG DẢI RỘNG 61 3.4 THIẾT KẾ ĐƢỜNG TRUYỀN VI DẢI 50Ω 64 3.5 MÔ PHỎNG CÁU TRÚC ANTEN VỚI PHẦN MỀM ANSOFT HFSS 65 3.5.1 Phần mềm HFSS 65 3.5.2 Một số lƣu ý thiết đặt tham số HFSS 67 3.5.3 Kết mô với HFSS 73 KẾT LUẬN .80 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG Hình Chƣơng Hình 1.1 Anten nhƣ thiết bị truyền sóng Hình 1.2 Phƣơng trình tƣơng đƣơng Thevenin cho hệ thống anten hình 1.1 Hình 1.3 Các trƣờng xạ khu xa Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten .5 Hình 1.5 Giản đồ xạ vô hƣớng anten Hình 1.6 Giản đồ xạ mặt phẳng E mặt phẳng H cho anten loa Hình 1.7 Các búp sóng anten xạ hƣớng tính Hình Các vùng trƣờng anten 10 Hình 1.9 Giản đồ xạ trƣờng xa anten parabol khoảng cách R khác 11 Hình 1.10 Hình dạng loại anten 17 Hình 1.11 Cấu trúc đƣờng truyền vi dải 18 Hình 1.12 Giản đồ trƣờng đƣờng vi dải .19 Hình 1.13 Cấu trúc anten vi dải đơn giản 20 Hình 1.14 Hình dạng anten patch vi dải 22 Hình 1.15 Một vài dipole mạch in vi dải 22 Hình 1.16 Một số anten khe mạch in với cấu trúc tiếp điện 23 Hình 1.17 Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in 23 Hình 1.18 Anten patch hình chữ nhật 25 Chƣơng Hình 2.1 Băng thông anten 26 Hình 2.2 Ảnh hƣởng số điện môi độ dày chất tới băng thông trở kháng (VSWR < 2) hiệu suất xạ 30 Hình 2.3 Sự biến đổi hệ số Q anten vi dải có patch hình chữ nhật theo số điện môi chất Trong h=1.59 mm, W=0.9L, f=3 GHz 31 Hình 2.4 Sự biến đổi hệ số Q anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày chất Trong ε =2.2, W=0.9L, f=3 GHz 32 r Hình 2.5 Anten vi dải tiếp điện ghép khe 34 Hình 2.6 Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện ghép khe 36 Hình 2.7 Một vài anten vi dải băng rộng sử dụng patch ghép khe đồng phẳng 38 Hình 2.8 Anten vi dải băng rộng sử dụng patch ghép khe đồng phẳng 40 Hình 2.9 Anten vi dải băng rộng sử dụng mode phân cực trực giao 41 Hình 2.10 Patch đƣợc rạch khe U tạo tần số cộng hƣởng tăng băng thông 41 Hình 2.11 Một anten dipole cuộn tròn kép với băng thông rộng .42 Hình 2.12 Anten với patch đơn băng rộng sử dụng thành phần chuyển tiếp 3D .43 Hình 2.13 Anten vi dải băng rộng đƣợc mắc thêm tải điện trở l = 0.79L 44 Hình 2.14 Hình dạng anten mạch dải băng tần .45 Hình 2.15 Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao trở kháng tải .46 Hình 2.16 Bộ biến đổi nhiều phân đoạn 47 Hình 2.17 Phối hợp trở kháng dải liên tục mô hình để tăng số lƣợng phân đoạn N lên tiến tới vô .49 Hình 2.18 Bộ phối hợp trở kháng dạng hàm mũ 51 Hình 2.19 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng hàm mũ 52 Hình 2.20 Bộ phối hợp trở kháng dạng tam giác .53 Hình 2.21 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác 54 Hình 2.22 Bộ phối hợp trở kháng Klopfenstein .55 Hình 2.23 Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein 57 Chƣơng Hình 3.1 Hình dạng anten đƣợc thiết kế đồ án 59 Hình 3.2 Thành phần xạ anten 59 Hình 3.3 Kích thƣớc chi tiết thành phần xạ anten 60 Hình 3.4 Đồ thị cho ví dụ 63 Hình 3.5 Thiết lập thông số đƣờng truyền 64 Hình 3.6 Ƣớc lƣợng độ rộng W đƣờng truyền vi dải 65 Hình 3.7 Chu trình thực mô với HFSS 67 Hình 3.8, Thiết đặt tùy chọn “Solution Setup” tab General 68 Hình 3.9, Thiết đặt tùy chọn” Solution Setup” tab Option .70 Hình 3.10 Thiết đặt tùy chọn Mesh Operations .72 Hình 3.11 Biên xạ cho anten đồ án 73 Hình 3.12 Sự hội tụ lời giải HFSS 74 Hình 3.13 Hệ thống mắt lƣới lời giải hội tụ .75 Hình 3.14 Đồ thị S11 cho anten .76 Hình 3.15 Đồ thị VSWR cho anten có nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) 76 Hình 3.16 Giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng XOY 77 Hình 3.17 Giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng XOZ 78 Hình 3.18 Giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng YOZ 78 Hình 3.19 Giản đồ xạ 3D trƣờng xa hệ tọa độ cực tần số 870 MHz 79 Hình 3.20 Giản đồ xạ 3D trƣờng xa hệ tọa độ cực tần số 2160 MHz 79 Hình 3.21 Giản đồ xạ 3D trƣờng xa hệ tọa độ cực tần số 2380 MHz 79 Bảng Chƣơng Bảng 2.1 So sánh băng thông VSWR = 2, ε = 2.32, h = 1.59 mm, f = GHz 33 r Chƣơng Bảng 3.1 Lựa chọn Solution frequency 68 Bảng 3.2 Lựa chọn độ dài cực đại mắt lƣới 71 Bảng 3.3 Tần số cộng hƣởng băng thông tƣơng ứng anten có nhánh thứ 77 73 hình hộp chữ nhật (hình 3.11) với độ dài cạnh 300 mm (1/2 bƣớc sóng tần số 500 MHz) Hình 3.11 Biên xạ cho anten đồ án 3.5.3 Kết mô với HFSS Với tiêu chuẩn hội tụ đƣợc thiết đặt là: thay đổi cực đại biên độ tham số S phải nhỏ 0.02 (giá trị mặc định), HFSS cần bƣớc thích nghi để thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ Hình 3.12 thể trình hội tụ lời giải GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 74 Hình 3.12 Sự hội tụ lời giải HFSS Trong HFSS, ta thu đƣợc bảng cách click phải vào Resuls, sau chọn Solution Data Số lƣợng bƣớc thích nghi (Number of Passes) cực đại ta thiết lập ban đầu 12, lời giải hội tụ sau bƣớc thích nghi Biên độ cực đại Delta S (Max Mag Delta S) ta thiết lập ban đầu 0.02, lời giải hội tụ giá trị 0.0099079 Số lƣợng mắt lƣới (khối tứ diện) tăng lên sau bƣớc thích nghi Khi lời giải hội tụ bƣớc thích nghi thứ 6, hệ thống mắt lƣới có 15791 khối tứ diện, hệ thống lấp đầy toàn không gian giới hạn biên xạ nhƣ hình 3.13 dƣới Nếu muốn đạt đƣợc kết xác nữa, ta thay đổi tham số “Minimum Number of Passes” tới giá trị lớn Và tiến hành phân tích lại GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 75 Hình 3.13 Hệ thống mắt lưới lời giải hội tụ Đồ thị hệ số phản xạ S (Return Loss) theo tần số cho anten đƣợc mô 11 thể hình 3.14a 3.14b Trong hình thể kết mô cho anten có nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) nhánh điều chỉnh (a) GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 76 (b) Hình 3.14 Đồ thị S11 cho anten a Anten có nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) b Anten nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) Hình 3.15 Đồ thị VSWR cho anten có nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) Với mát phản xạ (Return Loss) S = -8 dB (tƣơng ứng với hệ số sóng 11 đứng VSWR = 2.5), ta thấy anten nhánh thứ cộng hƣởng gần tần số 900 MHz 2200 MHz, nhiên băng thông chƣa đủ để bao phủ tất dải tần GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 77 yêu cầu, đặc biệt dải WLAN GSM Còn anten có nhánh thứ cộng hƣởng gần tần số 870 MHz, 2160 MHz 2380 MHz Khi có nhánh thứ 3, tần số cộng hƣởng anten đƣợc điều chỉnh tới xung quanh dải tần ta mong muốn, đồng thời băng thông gần đủ để bao phủ tất dải yêu cầu Tuy nhiên tần số cộng hƣởng dải GSM không đƣợc sâu, băng thông chƣa đủ để bao phủ dải Ta thấy đỉnh cộng hƣởng anten có nhánh thứ sâu Bảng 3.3 Tần số cộng hưởng băng thông tương ứng anten có nhánh thứ Tiếp theo ta xem xét giản đồ trƣờng xạ đƣợc đƣa HFSS Ở đây, ta quan tâm tới giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng tọa độ XOY, XOZ YOZ Hình 3.16 Giản đồ xạ trường xa mặt phẳng XOY GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 78 Từ hình 3.16, 3.17 3.18 ta thấy, tần số 870 MHz, anten xạ có hƣớng mặt phẳng XOY XOZ, xạ vô hƣớng mặt phẳng YOZ Tuy nhiên, tần số cộng hƣởng cao giản đồ xạ ba mặt phẳng bị méo dần so với tần số cộng hƣởng 870 MHz Hình 3.17 Giản đồ xạ trường xa mặt phẳng XOZ Hình 3.18 Giản đồ xạ trường xa mặt phẳng YOZ GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 79 Hình 3.19 Giản đồ xạ 3D trường xa hệ tọa độ cực tần số 870 MHz Hình 3.20 Giản đồ xạ 3D trường xa hệ tọa độ cực tần số 2160 MHz Hình 3.21 Giản đồ xạ 3D trường xa hệ tọa độ cực tần số 2380 MHz Từ giản đồ xạ ta thấy, tần số tăng lên giản đồ xạ anten bị bóp méo dần, ảnh hƣởng xạ mặt phẳng đất, nhƣ xạ đƣờng tiếp điện vi dải, nhƣ lệch phối hợp trở kháng tăng lên GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 80 KẾT LUẬN Đồ án bƣớc mở đầu nghiên cứu, thiết kế chế tạo anten mạch dải băng rộng có khả hoạt động nhiều băng tần Tuy nhiên điều kiện sở vật chất khó khăn, em thực cố gắng để đạt đƣợc số kết thiết thực định Hƣớng phát triển đồ án gồm vấn đề sau: - Tối ƣu hóa thiết đặt tham số phần mềm mô Ansoft HFSS để thu đƣợc kết xác Một số tham số quan trọng là: + Mesh Operations + Chia dải tần cần quan sát thành dải nhỏ hơn, thực phân tích dải với tham số Solution frequency đƣợc chọn phù hợp cho dải - Làm tăng băng thông thêm Tập trung vào việc điều chỉnh kích thƣớc nhánh cộng hƣởng thứ 1, vị trí điểm tiếp điện, nghiên cứu chi tiết ảnh hƣởng nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) - Lựa chọn phối hợp trở kháng dải rộng khác có đặc tính tốt Cụ thể phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein (nhƣ chƣơng phân tích) - Sử dụng thiết bị chuyên dùng để chế tạo anten nhằm thực xác kích thƣớc nhƣ thiết kế GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] GS TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [2] GS TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, Tài liệu giảng dạy trƣờng ĐH Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh [3] Constantine A Balanis, Antenna Theory – Analysis and Design, John Willey & Son, INC, Second Editon [4] David M Pozar, Microwave Engineering, John Willey & Son, INC, Second Editon [5] Y J Wang, C K Lee, Design of Dual-Frequency Microstip Patch Antennas and Application for IMT-2000 Mobile Handsets, Nanyang Technological University, Nanyang Avenue, Singapore [6] Xu Jing, Zhengwei Du and Ke Gong, Compact Planar Monopole Antenna for Multi-band Mobile Phones, Tsinghua University, Beijing, People’s Republic of China [7] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Hanbook, Artech House [8] U.S Marine Corps, Field Antenna Handbook [9] Chin Liong Yeo, Active Microstrip Array Antennas, Submitted for the degree of Bachelor of Engineering, University of Queensland GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 82 GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 83 GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 84 GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 85 GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 86 GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng 87 GVHD: ThS H.T.P.Thảo SVTH: Đ.N.Hùng