THIẾT kế CHỂ tạo ANTEN VI dải làm VIỆC ở tần sô 1 5 GHz

THIẾT kế CHỂ tạo ANTEN VI dải làm VIỆC ở tần sô 1 5 GHz, đồ án THIẾT kế CHỂ tạo ANTEN VI dải làm VIỆC ở tần sô 1 5 GHz , đồ án viễn thông THIẾT kế CHỂ tạo ANTEN VI dải làm VIỆC ở tần sô 1 5 GHz , tải về đồ án viễn thông THIẾT kế CHỂ tạo ANTEN VI dải làm VIỆC ở tần sô 1 5 GHz

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI 3

1.1 Cấu tạo 3

1.2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải 3

1.3 Các loại anten vi dải 4

1.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 5

1.4.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 5

1.4.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 6

1.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten 7

1.6 Phương pháp cải thiện các thông số của anten vi dải 8

1.6.1 Phương pháp tạo dị tật trên mặt đất DGS 8

1.6.2 Ứng dụng của DGS trong thiết kế mạch vi dải 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHỂ TẠO ANTEN VI DẢI LÀM VIỆC Ở TẦN SÔ 1.5GHz 11

2.1 Yêu cầu kỹ thuật 11

2.2 Thiết kế anten 11

2.3 Kết quả mô phỏng 12

2.3.1 Hình ảnh anten mô phỏng 13

2.3.2 Kết quả khảo sát các thông số của anten 13

2.4 Cải thiện các thông số của anten 16

2.4.1 Anten với cấu trúc DGS 16

2.4.2 Kết quả khảo sát các thông số của anten cấu trúc DGS 16

2.5 So sánh kết quả của anten vi dải không có cấu trúc DGS với anten vi dải có cấu trúc DGS 19

KẾT LUẬN 21

Tài liệu tham khảo 21

số của anten vi dải đã được nghiên cứu, một trong những phương pháp đó làthay đổi cấu trúc mặt phẳng đất Defected Ground Structure (DGS) Kỹ thuật nàyđơn giản là tạo các dị tật trên mặt phẳng đất của các anten vi dải.

Sau khi được học những kiến thức được tích lũy trong quá trình học tập và

sau một thời gian tìm hiểu, nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và chế

tạo anten vi dải cấu trúc DGS hoạt động ở dải tần 1.5 GHz”.

Đồ án thực hiện bằng phương pháp mô phỏng để đưa ra kết quả tính toánkích thước và hình dạng của cấu trúc khắc đất nhằm đạt được các yêu cầu về kỹthuật của anten vi dải

Nội dung đồ án bao gồm:

Chương 1: Trình bày về anten vi dải và anten vi dải cấu trúc DGS

Chương 2: Thực hiện tính toán kích thước của anten vi dải và anten vi dải cócấu trúc DGS Tiến hành mô phỏng và phân tích các thông số của anten dùngphần mềm HFSS

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 Cấu tạo

Hình 1.1 Cấu trúc đơn giản anten vi dải

Cấu trúc đơn giản nhất của một anten vi dải bao gồm ba lớp: lớp đất, lớpđiện môi, lớp bức xạ Hằng số điện môi của lớp điện môi đóng vai trò quantrọng nhất trong anten vi dải Nó ảnh hưởng đến đặc tính trở kháng, tần số cộnghưởng, băng thông, hiệu suất… của anten

1.2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải

Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten thông thường khác

và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số băng rộng 10 MHz – 100 GHz Một

số ưu điểm nổi bật của anten vi dải là:

- Trọng lượng nhẹ, thể tích nhỏ, cấu trúc phẳng và mỏng nên dễ chế tạo

- Giá thành sản xuất, thích hợp với xác suất số lượng lớn

- Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ thuật tiếp điệnđơn giản

- Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thờitrên cùng một cấu trúc anten

Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với cácanten thông thường:

- Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%)

- Độ lợi thấp (≈ 6)

- Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten

- Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian

Muốn có anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điện phức tạp

- Xuất hiện sóng mặt.

- Khả năng điều khiển công suất thấp

1.3 Các loại anten vi dải

Anten vi dải được đặc trưng bởi nhiều tham số vật lý Chúng có thể đượcthiết kế với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau Một cách tổng quát ta cóthể chia anten vi dải ra bốn loại cơ bản: anten patch vi dải, anten vi dải lưỡngcực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy

- Anten patch vi dải (Microstrip patch antenna)

Một anten patch vi dải, có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng nằm trênmột mặt của chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền Antenpatch có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giốngnhau do chúng hoạt dộng giống như một dipole Trong số các loại anten patch vidải, anten có dạng hình vuông và hình tròn là hai dạng thông dụng và sử dụngrộng rãi

- Dipole vi dải

Dipole vi dải có hình dạng giống như anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉkhác nhau ở tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bướcsóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vidải là giống nhau, tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băngthông và bức xạ phân cực chéo thì chúng hầu như khác nhau Anten dipole vidải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điệnmôi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể Việclựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích antendipole vi dải

- Printed Slot antenna

Printed Slot antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất củamột đế được nối đất Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như là: hìnhchữ nhật, hình tròn, hình nến… Anten loại này bức xạ theo hai hướng, nghĩa làchúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướngbằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe

- Microptrip traveling-wave Antennas (MTA)

MTA được cấu thành bởi một loại các vật dẫn xích lại với nhau hay mộtđoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE.Trong đó đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để

tránh hiện tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế đểhướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào.

1.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải

Có nhiều kỹ thuật được phát triển để tiếp điện cho anten vi dải, nổi bật nhưcác kỹ thuật dùng đường vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial feed),ghép gần (promixity coupled) và ghép khe hở (aperture coupled) Việc lựa chọn

kỹ thuật tiếp điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Vấn đề được quan tâm nhiềunhất khi tiếp điện là hiệu suất chuyển đồi công suất giữa cấu trúc phát xạ vàđường truyền, sự phối hợp trở kháng giữa chúng, trở kháng của các thành phầngây ra hiện tượng sóng mặt và bức xạ nhiễu như các mối nối, chốt chuyển tiếp…Các bức xạ không mong muốn có thể sẽ làm tăng mức thùy phụ và biên độ phâncực chéo trong thành phần bức xạ Vì vậy, cần tính toán kỹ thuật tiếp điện saocho tối thiểu hóa các bức xạ nhiễu và ảnh hưởng của nó

1.4.1 Đường truyền vi dải (Microstrip Feed)

- Cấu trúc trường của đường truyền vi dải

Sóng truyền trên đường vi dải là sóng có gần với dạng sóng TEM TEM) Điều này có nghĩa là trên đường truyền vi dải có vài vùng trong đó chỉ cóthành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng

(quasi-Trên cấu trúc đường truyền vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện Bởi vì bềmặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khínên các đường sức điện từ không liên tục tại mặt tiếp giáp này Một phần nănglượng của điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữtrong chất nền điện môi

Hằng số điện môi hiệu dụng đối với đường truyền có giá trị nằm ở khoảnggiữa hằng số điện môi của không khí và hằng số điện môi của chất nền

Hinh1.2 Cấu trúc đường truyền vi dải

- Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì

có thể xem patch là phần mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo

cả hai đồng thời Việc ghép nối đường truyền vi dải với patch có thể thực hiệnnhư ở hình 1.3 (a) hoặc 1.3 (b)

Hình 1.3 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Phương pháp ghép cạnh như hình 1.3 (a) có nhược điểm là trở kháng vào củapatch tại cạnh bức xạ lớn hơn nhiều lần so với trở kháng của đường truyền vi dải(50 Ω) Để khắc phục hạn chế này ta có thể ghép thêm một mạch phối hợp trởkháng giữa patch và đường truyền Tuy nhiên nó làm tăng bức xạ nhiễu, đồngthời phương pháp này cũng không thích hợp trong ứng dụng mảng anten (không

có đủ không gian vật lý) Hình 1.3 (b) biểu diễn một phương pháp ghép nối tiến

bộ hơn, trong đó được truyền vi dải được đặt vào trong patch một đoạn l Tham

số l được lựa chọn sao cho trở kháng vào của anten là 50 Ω

Tiếp điện bằng đường nối vi dải rất dễ thiết kế và chế tạo nhưng lại gây rabức xạ nhiễu lớn và là nguyên nhân tạo ra phân cực chéo Vì vậy, kỹ thuật nàythường được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu hiệu suất cao và cần cóđường tiếp điện phẳng Băng thông đạt được khoảng 3-5 %

1.4.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed).

Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất đểtruyền công suất anten Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối vớianten vi dải qua khe hở ở mặt phẳng đất Một anten thường sử dụng cáp đồngtrục loại N Cáp đồng trục được ghép vào mặt sau của mạch in, sau đó lõi của nó

sẽ đi qua chất nền và được tiếp nối với bức xạ Vị trí tiếp nối sẽ được tính toán,lựa chọn để có được phối hợp trở kháng tốt nhất

Hình 1.4 Tiếp điện bằng cáp đồng trục

Cũng giống như tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồngtrục có ưu điểm là dễ thiết kế và chế tạo Hơn nữa, thông qua việc xác định tiếpđiểm ta có thể kiểm soát được mức trở kháng vào, tạo thuận lợi cho việc phốihợp trở kháng

Kỹ thuật ghép khe hở gồm hai lớp chất nền được chia tách bởi mặt phẳngđất, patch đặt ở lớp trên được ghép nối điện từ đường truyền đặt ở lớp dưới quamột khe hở ở mật phẳng đất Khe hở này có thể có nhiều hình dạng, kích thước

và được thiết kế sao cho cải thiện được độ rộng của băng thông cũng như bức xạcủa anten

- Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng vớibức xạ từ patch ngược trở xuống đồng thời phải phù hợp với trở kháng

- Chiều rộng khe (Wa) : thông số này ảnh hưởng đến mức độ ghép nối,tuynhiên ảnh hưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thườngbằng 1/10 chiều dài patch

Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tối ưu hóa đường truyền và cáchàm bức xạ độc lập với nhau.Ví dụ: chất nền của đường truyền phải mỏng và cóhằng số điện môi cao trong khi chất nền của patch phải dày và có hằng số điệnmôi thấp Hơn nữa, nhờ có hiệu ứng màn che của mặt phẳng đất, bức xạ từđường truyền không thể gây can nhiễu bức xạ của patch, giúp ta dễ có được sựphân cực thuần

Hình 1.6 Kỹ thuật ghép gần

Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo vì hai lớp chất nềnđòi hỏi phải có độ định tuyến chính xác Mặc khác, vì đường truyền không cònnằm trên mặt hở nữa nên người thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn

1.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten

- Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten Anten luôn làm việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớn nhất

- Hệ số định hướng của anten là tỷ số giữa mật độ công suất từ anten địnhhướng và mật độ công suất anten đẳng hướng với công suất bức xạ như nhau từhai anten

(1.1)

- Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ công suấtbức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất của anten chuẩn(thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau với côngsuất vào hai anten giống nhau Trong đó anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.

(1.2)

- Trở kháng vào của anten:

ZA = RA + jXA (1.3)Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng

Thông thường trở kháng đặc tính của feeder là R0, để phối hợp trở kháng thì

 L là chiều dài của mặt bức xạ

 h là bề dày của lớp điện môi

 Wg là chiều rộng của mặt phẳng đất

 Lg là chiều dài của mặt phẳng đất

1.6 Phương pháp tạo cải thiện các thông số của anten vi dải

1.6.1 Phương pháp tạo dị tật trên mặt đất - Defected Ground Structure

Như chúng ta đã biết, dải tần của anten vi dải thường là dải tần hẹp và có thể

mở rộng tùy theo yêu cầu ứng dụng thực tế Anten vi dải có nhiều ưu điểm vàđược ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin liên lạc, vì vậy việc cải tiếnchất lượng anten như mở rộng băng thông, giảm thiểu kích thước, tăng độ lợi,giảm suy hao do phản xạ, luôn được đặt lên hàng đầu

Trong vài năm trở lại đây, đã có một vài phương pháp mới để cải tiến cácmạch vi dải Một trong số đó là kĩ thuật Defected Ground Structure (DGS), DGS

là mội kỹ thuật dùng để sửa lỗi lại mặt phẳng đất trong anten để nâng cao hiệusuất hoạt động của anten Kỹ thuật này được hiểu đơn giản là đặt một “dị tật”lên mặt phẳng đất của anten vi dải, nó đã mở ra cánh cửa cho hàng loạt ứng

dụng sau này Rất nhiều nghiên cứu về DGS đã được đề xuất và DGS trở thànhmảng thú vị cho việc nghiên cứu ứng dụng nó trong mạch vi dải.

Các mẫu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương L-C, hệ sốghép nối, đáp ứng tần số và các thông số khác Mặc dù các “dị tật” đặt thêm sẽlàm mất đi tính thống nhất của mặt phẳng đất, tuy nhiên chúng không làm mặtphẳng đất bị lỗi Người sử dụng phải chọn cho mình một cấu trúc hiệu quả chomạch vi dải của mình

Hình 1.5 cho chúng ta thấy một số cấu trúc DGS được sử dụng phổ biến hiệnnay Các mấu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương L-C, hệ sốghép nối, đáp ứng tần số và các thông số khác Mặc dù các “dị tật” đặt thêm sẽlàm mất đi tính thống nhất của mặt phẳng đất, tuy nhiên, chúng không làm mặtphẳng đất bị lỗi Người sử dụng phải chọn cho mình một cấu trúc hiệu quả chomạch vi dải của mình

điện chảy trong anten Nó cũng có thể điều khiển được sự kích thích và sóngđiện từ truyền qua lớp nền.

Khi chúng ta sử dụng anten vi dải, sự suy hao luôn luôn xảy ra trong quátrình truyền tín hiệu Suy hao do sự kích thích sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất

sử dụng, độ lợi, băng thông vì khi có sóng bề mặt xảy ra, nó sử dụng một phầnnăng lượng dự trữ để truyền sóng ra không gian Với những anten không có cấutrúc DGS thì có băng thông hẹp, suy hao do phản xạ cao, độ lợi thấp, mặt kháccác anten kết hợp cấu trúc DGS hiệu quả sẽ cho tăng băng thông cao hơn, giảmsuy hao do phải xạ,

1.6.2 Ứng dụng của DGS trong thiết kế mạch vi dải

DGS được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị thụ động hoặc tích cực, đặcbiệt rất hữu ích cho các thiết kế nhỏ gọn (anten vi dải là ví dụ điển hình về điềunày) Nó được dùng cho việc lọc các tín hiệu không mong muốn, nâng cao chấtlượng hệ thống (ví dụ trong anten vi dải nó có tác dụng cải thiện suy hao phản

xạ tại tần số cộng hưởng, tăng băng thông đường truyền ) Mỗi DGS có đặctính riêng của mình, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và vị trí của nó, nó dễdàng thực hiện bằng cách đặt một mẫu “dị tật” DGS trên mặt phẳng đất để làmtăng hiệu quả hoạt động của mạch được thiết kế mà không làm mạch phức tạpthêm

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về DGS và tích hợp nó trong anten vidải Khi chúc ta sử dụng anten vi dải để truyền tín hiệu, sóng cần truyền đi dichuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống phía dưới Sau đó nótiến đến sát cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại vàphần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do Năng lượng phản xạ trở lại càng lớn,tức là suy hao do phản xạ càng cao và ngược lại anten vi dải có kết hợp DGS sẽ

có băng thông rộng hơn, suy hao do phản xạ thấp hơn

Một khuôn mẫu DGS tích hợp trên mặt phẳng đất sẽ gây ảnh hưởng có lợiđến hiệu suất hoạt động của anten như giảm kích thước của anten, giảm sự phâncực chéo, giảm suy hao khớp nối trong mảng anten, giúp cho việc ngăn chặn cáctín hiệu không mong muốn (như một filter), cải thiện suy hao phản xạ, tăng băngthông truyền dẫn,