Đang tải... (xem toàn văn)
Mô phỏng và đánh giá anten vi dải với cấu trúc DGS tại tần số 2,4GHz nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của anten như cải thiện suy hao phản xạ, tăng băng thông truyền, tăng độ lợi,… Dựa trên những công thức đơn giản đã được mô tả, quá trình tính toán thiết kế cho anten vi dải hình chữ nhật được đặt ra. Giả sử ta đã có những thông số ban đầu: hằng số điện môi =2.2, tần số hoạt động f0=2.4GHz, và chiều cao của lớp điện môi nền h=1.6. Ta tiến hành tính toán kích thước của mặt patch và các thông số liên quan. Sau đó khắc các mẫu DGS vào anten vi dải để đánh giá chất lượng của anten.
LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông không dây phát triển nhanh năm gần đây, theo thiết bị di động trở nên ngày nhỏ Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ thiết bị di động, anten gắn thiết bị đầu cuối phải thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn anten vi dải (microstrip antenna) anten mạch in (printed antenna), có ưu điểm hấp dẫn kích thước nhỏ dễ gắn lên thiết bị đầu cuối, lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế Với tiến lĩnh vực vi mạch siêu cao tần truyền thơng khơng dây đòi hỏi anten vi dải có kích thước nhỏ gọn hiệu suất cao Do đó, đời nhiều phương pháp cải tiến anten vi dải, phương pháp thay đổi cấu trúc mặt phẳng đất Kỹ thuật đơn giản tạo dị tật mặt phẳng đất Đồ án chúng em trình bày ảnh hưởng dị tật lên thông số anten vi dải Cùng với hướng dẫn Th.S Nguyễn Thị Minh chúng em tiến hành mô thành công đồ án “Khảo sát ảnh hưởng cấu trúc DGS lên thông số anten vi dải” Do thời gian ngắn nên khơng thể tránh sai sót q trình thực hiện, mong đóng góp quý thầy cô bạn để đồ án hồn thiện Sinh viên thực Trần Thị Thuận CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ (anten phát) thu nhận sóng (anten thu) từ khơng gian bên ngồi gọi anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng, thể hình 1.1 Thông thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo fide tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten fide phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao khơng gây méo dạng tín hiệu Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng [3] Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten hình 1.1 làm việc chế độ phát thể hình 1.2, nguồn thể tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn thể đường dây với trở kháng đặc trưng Zc, anten thể tải ZA, ZA=(RL + Rr) +jXA Trở kháng tải RL thể mát điện môi vật dẫn (conduction and dielectric loss) Hình 1.2 Phương trình 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 Khi đường truyền xuất nút bụng sóng đứng Một mơ hình sóng đứng điển hình thể đường gạch đứt hình 1.2 Nếu hệ thống anten thiết kế khơng xác, đường truyền chiếm vai trò thành phần lưu giữ lượng thiết bị truyền lượng dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại sóng đứng đủ lớn, chúng phá hủy đường truyền dẫn Tổng mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát đường truyền tối thiểu hóa cách chọn đường truyền mát thấp, mát anten giảm cách giảm trở kháng xạ RL hình 1.2 Sóng đứng giảm khả lưu giữ lượng đường truyền tối thiểu hóa cách phối hợp trở kháng anten với trở kháng đặc trưng đường truyền Tức phối hợp trở kháng tải với đường truyền, tải anten Một phương trình tương tự hình 1.2 sử dụng để thể hệ thống anten chế độ thu, nguồn thay thu Tất phần khác phương trình tương đương tương tự Trở kháng phát xạ Rr sử dụng để thể chế độ thu nhận lượng điện từ từ không gian tự truyền tới anten 1.1.2 Các tham số anten 1.1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten Khi lượng từ nguồn truyền tới anten, trường tạo Một trường trường cảm ứng (trường khu gần), trường giàng buộc với anten; trường trường xạ (trường khu xa) Ngay anten (trong trường gần), cường độ trường lớn tỉ lệ tuyến tính với lượng lượng cấp tới anten Tại khu xa, có trường xạ trì Trường khu xa gồm thành phần điện trường từ trường (xem hình 1.3) Hình 1.3 Các trường xạ khu xa Cả hai thành phần điện trường từ trường xạ từ anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền nhận lượng điện từ thông qua không gian tự Sóng vơ tuyến trường điện từ di chuyển Trường khu xa sóng phẳng Khi sóng truyền đi, lượng mà sóng mang theo trải diện tích ngày lớn Điều làm cho lượng diện tích cho trước giảm khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng 1.1.2.2 Giản đồ xạ Các tín hiệu vơ tuyến xạ anten hình thành trường điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten sử dụng Giản đồ xạ thể đặc tính định hướng anten Hệ tọa độ thường sử dụng để thể trường xạ hình 1.4 Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten Giản đồ đẳng hướng hướng tính Anten đẳng hướng anten giả định, xạ theo tất hướng Mặc dù lý tưởng khơng thể thực mặt vật lý, người ta thường sử dụng tham chiếu để thể đặc tính hướng tính anten thực Anten hướng tính “anten có đặc tính xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo vài hướng hướng lại 1.1.2.3 Cường độ xạ Cường độ xạ theo hướng cho trước định nghĩa sau: “năng lượng xạ từ anten đơn vị góc đặc” Cường độ xạ tham số trường xa,và tính cách đơn giản nhân mật độ xạ với bình phương khoảng cách U=R2WRad (2.8) Khi đó, U: cường độ xạ (W/đơn vị góc đặc) Wrad: mật độ xạ (W/m2) 1.1.2.4 Hệ số định hướng Hệ số định hướng anten định nghĩa sau: “tỉ lệ cường độ xạ theo hướng cho trước so với cường độ xạ trung bình tất hướng Cường đồ xạ trung bình tổng cơng suất xạ anten chia cho 4π Nếu hướng không xác định, hướng cường độ xạ cực đại chọn” Đơn giản hơn, hệ số định hướng nguồn xạ hướng tính với tỉ lệ cường độ xạ theo hướng cho trước (U) cường độ xạ nguồn đẳng hướng (U0): Hướng xạ cực đại (hướng tính cực đại) biểu diễn sau: Khi D: hướng tính (khơng có thứ ngun) D0: hướng tính cực đại (khơng có thứ ngun) U: cường độ xạ (W/đơn vị góc đặc) Umax: cường độ xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc) U0: cường độ xạ nguồn đẳng hướng Prad: tổng cơng suất xạ (W) 1.1.2.5 Hệ số tăng ích Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất anten hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích anten có quan hệ với hệ số định hướng, đơn vị dùng để tính tốn hiệu suất anten khả hướng tính Trong hệ số định hướng thể đặc tính hướng tính anten Hệ số tăng ích xác định cách so sánh mật độ công suất xạ anten thực hướng khảo sát mật độ công suất xạ anten chuẩn (thường anten vô hướng) hướng khoảng cách nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten nhau, anten chuẩn anten có hiệu suất (khơng tổn hao) G0 = Gθ + Gφ Trong hệ số tăng ích riêng Gθ Gφ biểu diễn bởi: Trong đó: Pin: tổng công suất đưa vào anten U θ: cường độ xạ theo hướng cho trước chứa thành phần truờng Eθ U φ: cường độ xạ theo hướng cho trước chứa thành phần trường E φ Công thức tương ứng cho bởi: G0 (dB) = 10log10 [ecd D0 ] 1.1.2.6 Băng thông Băng thông (BW) anten định nghĩa sau: “khoảng tần số mà hiệu suất anten thỏa mãn tiểu chuẩn định” Băng thơng xem xét khoảng tần số, hai bên tần số trung tâm (thường tần số cộng hưởng), đặc tính anten (chẳng hạn trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất xạ) đạt giá trị chấp nhận Với anten dải rộng, băng thông thường biểu diễn tỉ số tần số tần số anten hoạt động với đặc tính chấp nhận Ví dụ, băng thơng 10:1 rằng, tần số lớn 10 lần tần số Với anten dải hẹp, băng thông thể tỉ lệ phần trăm sai khác tần số (tần số – tần số dưới) so với tần số trung tâm băng thơng Ví dụ, băng thơng 5% thể rằng, sai khác tần số 5% tần số trung tâm băng thông 1.1.2.7 Trở kháng vào Trở kháng vào định nghĩa sau: “trở kháng anten điểm đầu vào hay tỉ số điện áp so với dòng điện đầu vào hay tỉ số thành phần tương ứng điện trường so với từ trường điểm” Trong phần này, quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào đầu vào anten Tỉ số điện áp dòng điện đầu vào này, khơng có tải, xác định trở kháng anten sau: ZA= RA+ jXA Trong đó: ZA : trở kháng anten đầu vào (Ohm) RA: điện trở anten đầu vào (Ohm) XA: điện kháng anten đầu vào (Ohm) Trong điện trở anten có: RA= Rr+ RL Trong đó: Rr: trở kháng xạ (radiation resistance) anten RL: trở kháng mát (loss resistance) anten Trở kháng vào anten nói chung hàm tần số Do đó, anten phối hợp tốt với đường tiếp điện dải tần Thêm nữa, trở kháng vào anten phụ thuộc vào yếu tố như: hình dạng anten, phương pháp tiếp điện cho anten, ảnh hưởng đối tượng bao quanh Do phức tạp chúng, lượng giới hạn anten thực tế nghiên cứu phân tích tỉ mỉ Với loại anten khác, trở kháng vào xác định thực nghiệm 1.2 Anten vi dải Anten vi dải đơn giản bao gồm pach kim loại mỏng (bề dày t