thiết kế anten vi dải microstrip patch antenna bằng ansoft hfss 13

bài tập thiết kế anten vi dải cơ bản giúp các bạn hệ thống hóa các kiến thức về anten và truyền sóng,thực hành các bài tập trên lớp,phục vu cho công việc sau này,và có cái nhìn sâu sắc hơn về phần mềm HFSs 13

DESIGN TUTORIAL MICROSTRIP PATCH ANTENNA WITH ANSOFT HFSS 13.0

Bài toán: Thiết kế anten vi dải (Microstrip Patch Antenna) làm việc tại tần số f0=2.45 GHz (tần số kết nối wireless LAN giữa các máy tính, được ứng dụng rộng

rãi theo chuẩn 802.11 b/g/n), tiếp điện bằng đường truyền vi dải, miếng patch hình chữ nhật bằng đồng (copper) (chọn vì đơn giản và dễ làm) ; lớp điện môi có độ dày

h=1.6 mm làm bằng FR4-epoxy (đây chính là những tấm feed làm mạch in, được

bán rộng rãi trên thị trường, lớp đồng dày khoảng 0.03 mm), hằng số điện môi

ɛ r=4.6 Phối hợp trở kháng bằng cách lấn sâu vào miếng patch một đoạn y0

Các công thức tính toán kích thước của anten:

Chiều rộng của mặt bức xạ (miếng patch) :

(c = 3.108m/s : là vận tốc ánh sáng )

Hằng số điện môi hiệu dụng :

Chiều dài hiệu dụng của patch:

Độ tăng chiều dài của patch:

Từ đó ta có chiều dài thực của patch :

Độ dài đoạn lấn sâu y0 được xác định bởi công thức:

Z0 = Zin cos2( π

L y0)

trong đó:

(G1 : điện dẫn của khe 1;

G12 : điện dẫn tương hỗ của khe 1 và 2;

J0 : hàm Bessel loại 1 bậc 0)

Việc lấn sâu một đoạn y0 cũng tạo nên 1 khe vật lí hình thành 1 mối nối điện dung, điều này ảnh hưởng nhỏ đến tần số cộng hưởng (thông thường khoảng 1%)

Khe x 0 thường rất nhỏ và cũng không lớn hơn (ΔL/2)

trong đó:

Mối quan hệ giữa chiều dài và chiều rộng: Lf

Wf = 3.96

Chiều rộng và chiều dài của mặt phẳng đất:

Để dễ dàng thực hiện, chúng ta sử dụng chương trình phần mềm tính toán

được viết bằng MATLAB Chương trình được viết tương đối đơn giản dựa trên các

công thức ở trên

Bảng 1 Các thông số sau khi tính toán

Thông

số

W

(mm)

L (mm)

Wf

(mm)

Lf

(mm)

Wg

(mm)

Lg

(mm)

y0

(mm)

x0

(mm) Tính

được

36.5886 28.203 3.1576 12.5039 46.1886 37.803 10.5095 0.3212

Đã

chỉnh

38.5886 28.603 3.1576 12.5039 46.1886 37.803 10.5095 0.3212

Các bước cơ bản thiết kế và mô phỏng (các anten khác tương tự) :

Bước 1: Cấu hình

 Chọn HFSS > Solution Type > Driven Modal (phát) || Driven Terminal (thu)

 Chọn Modeler > Units > Select units: mm

 Chọn Tool > Option > HFSS Options

 Chọn Tool > Option > Modeler Option

Bước 2: Dựa vào các công cụ trên thanh công cụ để vẽ cấu trúc anten vào giao

diện làm việc

 Vẽ mặt phẳng đất: Draw > Box

 Vẽ lớp điện môi: Draw > Box

 Vẽ mặt bức xạ (patch) : Draw > Box (kích thước đã được cân chỉnh)

 Vẽ đường feed line: Draw > Box

 Vẽ khe để phối hợp trở kháng: Draw > Box

Giữ Ctrl chọn Patch vs Khe rồi chọn Subtract (tạo khe)

Giữ Ctrl chọn Patch vs Feed_line rồi chọn Unite (nối Patch với Feed_line)

 Vẽ tiếp điểm cấp nguồn: Draw > Rectangle

 Vẽ hộp không gian: Draw > Box

 Hình ảnh mô phỏng 3D hoàn thiện :

Bước 3: Thiết lập thông số để mô phỏng

 Chọn phần tử bức xạ (gồm Patch và Dat)

> Assign Boundary > Perfect E > OK

 Chọn phần tử hấp thu bức xạ ( > Radiation > OK)

 Chọn tiếp điểm cấp nguồn

- Nếu cấp nguồn bằng cáp đồng trục thì chọn Wave Port

- Nếu cấp nguồn bằng đường vi dải thì chọn Lumped Port

Vẽ một đường từ dưới lên trên

 Chọn hướng bức xạ: Radiation > Insert Far > Infinite Sphere > OK

 Chọn tần số làm việc và vùng tần số khảo sát:

- Solution Frequency: nhập vào tấn số cộng hưởng mong muốn

- Maximum Number of Passes: số bước lặp tối đa của mô phỏng

- Maximum Delta S: sai số chấp nhận được, càng nhỏ càng chính xác

Bước 4: Kiểm tra và mô phỏng

 Chọn HFSS > Validation Check để kiểm tra lỗi thiết kế

- S 11 tại tần số cộng hưởng:

- Đồ thị bức xạ 3D :

- Đồ thị Smith Chart :

(Phối hợp trở kháng (PHTK) khá tốt vì đường S(1,1) đi qua r=1)