Thiết kế anten vi dải băng rộng (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ VĂN CUNG THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THỊ HƢƠNG Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN VĂN CƢỜNG Phản biện 2: PGS.TS PHẠM NGỌC NAM Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật điện tử Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sự bùng nổ nhu cầu thơng tin vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng năm gần thúc đẩy phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến Trước hết phải kể đến Anten vi dải Nhờ ưu điểm bật nó, mà Anten vi dải lựa chọn làm Anten hệ thống tin vô tuyến như: Điện thoại di động cầm tay, kỹ thuật đo lường từ xa Các ưu điểm Anten vi dải kể đến như: có khối lượng kích thước nhỏ, bề dày mỏng, chi phí sản xuất hàng loạt, có khả phân cực tuyến tính với kỹ thuật tiếp điện đơn giản, đường cung cấp linh kiện phối hợp trở kháng sản xuất đồng thời với việc chế tạo Anten hỗ trợ hai, tuyến tính phân cực tròn Bên cạnh ưu điểm vượt trội, Anten vi dải số khuyết điểm cần khắc phục là: Băng thơng hẹp, vấn đề dung sai, số Anten có độ lợi thấp, khả tích trữ cơng suất thấp Trong khuyết điểm MSA có băng thơng hẹp, thông thường khoảng -5% , hạn chế lớn MSA Tuy nhiên nay, có nhiều ứng dụng đòi hỏi anten phải có kích thước nhỏ, băng thông rộng đồng thời lại phải có khả hoạt động nhiều dải tần khác Nhận thấy tầm quan trọng vấn đề nên định chọn đề tài : "Thiết kế Anten vi dải băng rộng" làm luận văn tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế mô Anten vi dải băng rộng để đạt phạm vi tần số hoạt động rộng từ 1.86GHz đến 2.48GHz cho số ứng dụng không dây Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu  Anten vi dải  Anten vi dải băng rộng Phƣơng pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp với mô Anten vi dải băng rộng Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, hướng phát triển đề tài tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm chương: - Chương 1: Tổng quan anten vi dải - Chương 2: Anten vi dải hình chữ nhật - Chương 3: Anten vi dải băng rộng - Chương 4: Thiết kế mô anten vi dải U-slot băng rộng Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tập hợp báo, sách tham khảo, luận văn trích dẫn suốt luận văn liệt kê phần tài liệu tham khảo luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Chương trình bày kiến thức chung anten vi dải, bao gồm nội dung sau: giới thiệu sơ lược anten vi dải, ưu nhược điểm anten vi dải, ứng dụng, loại anten vi dải, nguyên lý xạ trường xạ anten vi dải 1.2 SƠ LƢỢC VỀ ANTEN VI DẢI Hình 1.1 Cho thấy mơ hình anten vi dải hình chữ nhật hệ trục tọa độ (a) Anten vi dải (c) Hệ trục tọa độ (b) Mặt phẳng cắt ngang Hình 1.1 Anten vi dải hệ trục tọa độ 1.3 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA ANTEN VI DẢI Anten vi dải có vài thuận lợi so với anten vi sóng thơng thường đó, có nhiều ứng dụng bao phủ phạm vi băng tần rộng từ 100 MHz đến 100 GHz Một vài thuận lợi anten vi dải so với anten vi sóng thơng thường  Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng  Chi phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt  Phân cực tuyến tính phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn giản  Anten tần số kép anten phân cực kép thực dễ dàng  Có thể dễ dàng tích hợp với mạch tích hợp vi sóng  Các đường tiếp điện linh kiện phối hợp trở kháng sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten  Linh động phân cực tròn phân cực thẳng  Tương thích với thiết bị di động Tuy nhiên anten vi dải có số hạn chế so với anten vi sóng truyền thống  Anten vi dải băng hẹp vấn đề liên quan đến dung sai  Độ lợi thấp  Hầu hết anten vi dải xạ khơng gian phía mặt phẳng đất  Cấu trúc tiếp điện phức tạp cho array hiệu suất cao  Độ tinh khiết phân cực khó đạt  Khả xử lý công suất thấp  Có xạ dư từ đường truyền mối nối  Kích thích sóng bề mặt MSA có băng thông hẹp, thông thường khoảng 1-5%, hạn chế lớn MSA ứng dụng cần trải phổ rộng 1.4 CÁC LOẠI ANTEN VI DẢI CƠ BẢN 1.4.1 Anten patch vi dải 1.4.2 Anten dipole vi dải 1.4.3 Anten printed slot 1.4.4 Anten Traveling-Wave vi dải 1.5 NGUYÊN LÝ BỨC XẠ ANTEN VI DẢI 1.6 TRƢỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN VI DẢI 1.6.1 Thế vectơ số cơng thức tính trƣờng xạ 1.6.2 Công suất xạ 1.6.3 Công suất tiêu tán 1.6.4 Năng lƣợng tích lũy 1.6.5 Trở kháng vào 1.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương trình bày kiến thức anten vi dải: định nghĩa anten vi dải, cấu trúc anten vi dải đơn giản nhất, ưu điểm vượt trội hạn chế băng hẹp anten vi dải Đồng thời chương trình bày nguyên lý xạ số cơng thức tính trường xạ anten vi dải CHƢƠNG ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Có nhiều phương pháp để phân tích anten vi dải Nhưng mơ hình phổ biến mơ hình đường truyền (Transmission-line) mơ hình hốc cộng hưởng (Cavity model ) Việc đưa mơ hình phân tích anten có ý nghĩa quan trọng thực tiễn lý do:  Việc giúp giảm bớt lượng lớn chu trình thử nghiệm loại bỏ cách tác động vào trình thiết kế  Mơ hình phân tích giúp đánh giá cách xác thuận lợi hạn chế anten cách nghiên cứu thông số Mơ hình phân tích cung cấp hiểu biết nguyên lý hoạt động anten vi dải từ làm tảng cho việc nghiên cứu thiết kế phát triển thiết kế sau Mơ hình đường truyền (transmission line) đơn giản tất mơ hình, mơ hình cho ta hiểu biết sâu sắc vật lý, xác khó mơ hình ghép Khác với mơ hình đường truyền mơ hình hốc cộng hưởng xác lại phức tạp Tuy nhiên, cho ta hiểu biết sâu sắc vật lý khó mơ hình ghép, sử dụng thành cơng Nói chung áp dụng cách, mơ hình tồn sóng xác, linh hoạt, phân tử đơn giản, array hữu hạn vô hạn, phần tử xếp chồng lên ghép Tuy nhiên chúng mơ hình phức tạp thường cung cấp hiểu biết sâu sắc vật lý Ở ta xem xét mơ hình đường truyền mơ hình hốc cộng hưởng Tuy nhiên kết đường cong thiết kế từ mơ hình tồn sóng bao gồm Bởi hai mơ hình hầu hết phổ biến thực tế xem xét hình dạng patch hình chữ nhật Chương trình bày hai mơ hình để phân tích anten vi dải phổ biến mơ hình đường truyền (Transmission –line) mơ hình hốc cộng hưởng (Cavity model) Đồng thời trình bày phương pháp tiếp điện cho anten vi dải hình chữ nhật 2.2 MƠ HÌNH ĐƢỜNG TRUYỀN (TRANSMISSION LINE ) 2.2.1 Hiệu ứng viền 2.2.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hƣởng chiều rộng hiệu dụng 2.2.3 Bài toán thiết kế 2.2.4 Điện dẫn 2.2.5 Trở kháng vào tần số cộng hƣởng 2.3 MƠ HÌNH HỐC CỘNG HƢỞNG (CAVITY MODEL) 2.3.1 Các mode trƣờng - TMx 2.3.2 Trƣờng xạ - Mode TMx010 a Các khe xạ b Các khe không xạ 2.3.3 Độ định hƣớng 2.4 CÁC KỸ THUẬT TIẾP ĐIỆN CHO ANTEN VI DẢI 2.4.1 Tiếp điện sử dụng đƣờng truyền vi dải 2.4.2 Tiếp điện probe đồng trục 2.4.3 Tiếp điện phƣơng pháp ghép gần (Proximity Coupling) 2.4.4 Tiếp điện phƣơng pháp ghép khe (Aperture Coupling) 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương trình bày hai mơ hình phân tích anten vi dải: mơ hình đường truyền, mơ hình hốc cộng hưởng Trong mơ hình đường truyền vi dải trình bày về: hiệu ứng viền, cách tính tốn chiều dài, tần số cộng hưởng, chiệu rộng hiệu dụng, trở kháng vào tần số cộng hưởng anten vi dải Trong mơ hình hốc cộng hưởng trình bày về: trường xạ mode, độ định hướng Đồng thời chương đưa kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải : tiếp điện đường truyền vi dải, tiếp điện probe đồng trục tiếp điện phương pháp ghép gần 10 Do băng thơng tính theo trở kháng anten vi dải tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q anten Nên thay đổi tham số chất chẳng hạn số điện môi độ dày h để đạt hệ số Q mong muốn nhằm tăng băng thông trở kháng 3.4.3 Lựa chọn hình dạng patch (thành phần xạ) thích hợp Có vài hình dạng patch (thành phần xạ) có hệ số Q thấp với hình dạng khác Vì vậy, băng thơng chúng cao Các hình dạng thành phần xạ bao gồm: vành khun (annular ring), vành hình chữ nhật/ hình vng, patch phần tư bước sóng (được ngắn mạch) số hình dạng khác 3.4.4 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác cho sẵn tiếp điện probe đồng trục, tiếp điện cạnh patch, ghép gần patch với đường truyền vi dải, ghép khe patch với đường tiếp điện vi dải Trong phương pháp ghép khe sử dụng cho anten băng rộng chất dày 3.4.5 Kỹ thuật kích thích đa mode Việc sử dụng nhiều mode cộng hưởng phương pháp hiệu thiết kế anten vi dải băng rộng Mục đích phương pháp xuất phát từ cộng hưởng ghép, hai cộng hưởng nhiều ghép với để bao phủ toàn dải mong muốn Phương pháp áp dụng cho nhiều hình dạng anten vi dải khác a Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần xạ xếp chồng b Mở rộng băng thơng sử dụng thành phần kí sinh đồng phẳng 11 c Các kỹ thuật kích thích đa mode khác 3.4.6 Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác a Phối hợp trở kháng b Mắc tải điện trở 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chương ta giới thiệu cần thiết phải mở rộng băng thông anten vi dải, khái niệm dải thông tần, dải tần công tác phương pháp mở rộng băng thông anten vi dải Trong phương pháp mở rộng băng thông ta chọn phương pháp ứng dụng kỹ thuật U-Slot (rạch khe có hình dạng chữ U patch) vào anten vi dải làm thiết kế mô luận văn trình bày chương 12 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI U-SLOT BĂNG RỘNG 4.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Trong chương ứng dụng lý thuyết trình bày chương , chương 2, chương tài liệu tham khảo [9], [10], [13] [14] để tính tốn thiết kế anten vi dải U-slot dựa thông tin cho trước (tần số hoạt động, loại vật liệu điện môi…) cách ứng dụng kỹ thuật U-slot (rạch mặt patch khe có hình dạng chữ U) trình bày chương Sau đó, thay đổi vị trí, kích thước khe U vị trí điểm tiếp điện mặt patch để tạo anten vi dải U-slot đối xứng có băng thơng rộng Để đạt băng thông rộng mong muốn, ta tiếp tục tiến hành thay đổi kích thước anten vị trí khe U rạch bề mặt patch, vị trí điểm tiếp điện để đưa anten vi dải U-slot bất đối xứng có băng thông rộng bao phủ dải tần hoạt động từ 1.86 - 2.48 GHz Phần mềm Ansoft ANSYS HFSS dùng để mô anten đưa kết mong muốn Đây phần mềm chuyên dụng độ xác tương đối cao sử dụng tương đối phổ biến 4.2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MỘT ANTEN VI DẢI USLOT BĂNG RỘNG 4.2.1 Thiết kế Hình 4.1 cho thấy mơ hình anten vi dải ứng dụng kỹ thuật U-slot 13 Hình 4.1 Mơ hình anten vi dải U-slot Bảng 4.1 Các thơng số tính tốn anten vi dải U-slot Các Chiều thơng Chiều Chiều rộng số rộng dài mặt tính W L đất tốn Wg Kết 69.12 55.69 mm mm 4.2.2 Mô Chiều Chiều dài rộng mặt khe đất Lg D 129.12 115.69 mm mm Chiều cao khe C Độ dày khe E=F Khoảng cách H 27.65 20.74 2.304 13.45 mm mm mm mm 14  Cấu trúc ba chiều anten vi dải hình chữ nhật khơng ứng dụng kỹ thuật U-slot Hình 4.2 Cửa sổ chương trình mơ cấu trúc ba chiều anten vi dải chưa ứng dụng kỹ thuật u-slot  Kết mô hệ số tổn hao ngược (Return loss) với tần số anten vi dải hình chữ nhật chưa ứng dụng kỹ thuật U-slot Hình 4.3 Mơ tổn hao ngược với tần số anten vi dải chưa ứng dụng kỹ thuật u-slot 15  Kết mô VSWR với tần số anten vi dải chưa ứng dụng kỹ thuật U-slot Hình 4.4 Mơ VSWR với tần số anten vi dải chưa ứng dụng kỹ thuật U-slot  Cấu trúc ba chiều anten vi dải U-slot ứng dụng kỹ thuật U-slot với thông số dựa vào bảng 4.1 Hình 4.5 Cửa sổ chương trình mơ cấu trúc ba chiều anten vi dải U-slot ứng dụng kỹ thuật U-slot với thơng số kích thước bảng 4.1 16  Kết mô hệ số tổn hao ngược (Return loss) với tần số anten vi dải hình chữ nhật ứng dụng kỹ thuật U-slot Hình 4.6 Mô tổn hao ngược với tần số anten vi dải U-slot ứng dụng kỹ thuật U-slot với thơng số kích thước bảng 4.1 Hình 4.7 Mô VSWR với tần số anten vi dải U-slot ứng dụng kỹ thuật U-slot với thông số kích thước bảng 4.1  Cấu trúc ba chiều anten vi dải U-slot đối xứng ứng dụng kỹ thuật U-slot với kích thước chiều rộng, chiều dài độ dày khe U 17 rạch patch (U-slot) thay đổi để có băng thơng rộng hơn, theo thơng số bảng 4.2 Hình 4.8 Cửa sổ chương trình mơ cấu trúc ba chiều anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại Bảng 4.2 Các thơng số kích thước anten patch vi dải U-slot chỉnh sửa lại Các chiều chiều chiều độ dài rộng cao dày mặt khe Khe khe đất Lg D C E=F 69.12 55.69 129.12 115.69 24 39 4.2 8.345 mm mm mm mm thông chiều chiều rộng số rộng dài mặt tính W L đất toán Kết Wg mm mm mm chiều mm Khoảng cách H 18  Kết mô hệ số tổn hao ngược (Return loss) với tần số anten vi dải U-slot đối xứng băng rộng với kích thước chiều rộng, chiều dài, độ dày vị trí khe U rạch patch (Uslot) thay đổi Hình 4.9 Mơ tổn hao ngược với tần số anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại  Kết mô VSWR với tần số anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại Hình 4.10 Mô VSWR với tần số anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại 19  Kết mơ mơ hình xạ anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại Hình 4.11 Mơ mơ hình xạ anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại  Kết mô đồ thị xạ 3D anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại Hình 4.12 Mơ đồ thị xạ 3D anten vi dải U-slot đối xứng với kích thước U-slot chỉnh sửa lại 20  Cấu trúc ba chiều anten vi dải U-slot bất đối xứng ứng dụng kỹ thuật U-slot với tham số kích thước anten, kích thước vị trí khe U mặt patch, vị trí điểm cấp nguồn, hệ số điện môi chiều cao h thay đổi để có băng thơng rộng bao phủ dải tần hoạt động mong muốn từ 1.86 – 2.48 GHz Hình 4.15 Cửa sổ chương trình mơ cấu trúc ba chiều anten vi dải U-slot bất đối xứng băng rộng  Kết mô hệ số tổn hao ngược (Return loss) với tần số anten vi dải bất đối xứng Hình 4.16 Mơ tổn hao ngược với tần số anten vi dải Uslot bất đối xứng 21  Kết mô VSWR với tần số anten vi dải U-slot bất đối xứng Hình 4.17 Mô VSWR với tần số anten vi dải U-slot bất đối xứng  Kết mô mơ hình xạ anten vi dải U-slot bất xứng đối xứng Hình 4.18 Mơ hình xạ anten vi dải U-slot bất đối xứng 22  Kết mô đồ thị xạ 3D anten vi dải U-slot bất đối xứng Hình 4.19 Đồ thị xạ 3D anten vi dải U-slot bất đối xứng 4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chương ta trình bày việc tính tốn thơng số kích thước anten thực việc mô anten vi dải U-slot phần mềm Ansoft ANSYS HFSS đưa kết mô hệ số phản xạ VSWR với tần số để làm tiêu chí đánh giá băng thơng anten vi dải U-slot bất đối xứng có băng thông hoạt động từ 1.86 đến 2.48 GHz Để đáp ứng cho ứng dụng khơng dây là: Wimax hoạt động 2.3 GHz, WiFi hoạt động từ 2.4 GHz đến 2.48 GHz, WCDMA 3G hoạt động dải tần số từ 1.92 GHz đến 1.98 GHz, 2.11 GHz đến 2.17 GHz cho vài băng tần LTE là: băng tần LTE TDD số 33 (từ 1.9 – 1.92GHz), số 34 (từ 2.01 -2.025 GHz), số 36 (từ 1.93 – 1.99 GHz), số 37 (từ 1.91 – 1.93GHz), số 39 (từ 1.88 – 1.92 GHz) 23 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận: Luận văn tìm hiểu tổng quan anten vi dải anten vi dải hình chữ nhật Bên cạnh đó, luận văn sâu vào nghiên cứu phương pháp mở rộng băng thông anten vi dải Đồng thời luận văn thực việc thiết kế mô anten vi dải U-slot bất đối xứng băng rộng phần mềm Ansoft ANSYS HFSS đưa kết mô hệ số phản xạ VSWR với tần số làm tiêu chí đánh giá băng thông anten vi dải U-slot bất đối xứng hoạt động dải tần từ 1.86 – 2.48GHz Để đáp ứng cho ứng dụng khơng dây là: Wimax hoạt động 2.3 GHz, WiFi hoạt động từ 2.4 GHz đến 2.48 GHz, WCDMA 3G hoạt động dải tần số từ 1.92 GHz đến 1.98 GHz, 2.11 GHz đến 2.17 GHz cho vài băng tần LTE là: băng tần LTE TDD số 33 (từ 1.9 – 1.92GHz), số 34 (từ 2.01 -2.025 GHz), số 36 (từ 1.93 – 1.99 GHz), số 37 (từ 1.91 – 1.93GHz), số 39 (từ 1.88 – 1.92 GHz) Hƣớng phát triển đề tài: - Những hạn chế : Trong luận văn tác giả dừng lại việc mô anten vi dải U-slot bất đối xứng băng rộng cho ứng dụng không dây: Wimax hoạt động 2.3 GHz, WiFi hoạt động từ 2.4 GHz đến 2.48 GHz, WCDMA 3G hoạt động dải tần số từ 1.92 GHz đến 1.98 GHz , 2.11 GHz đến 2.17 GHz cho vài băng tần LTE 24 Nhưng chưa bao phủ hết băng thông ứng dụng không dây wifi từ 2.4 – 2.5 GHz, chưa đến chế tạo đo đạc tham số anten - Hướng phát triển đề tài: Nghiên cứu thiết kế mô anten vi dải U-slot bất đối xứng băng rộng có băng thơng bao phủ dải tần rộng từ 1.86 – 2.5 GHz, để đáp ứng tồn băng thơng cho ứng dụng không dây wifi từ 2.4 – 2.5 GHz mà luận văn chưa bao phủ hết tiến hành nghiên cứu chế tạo, đo đạc tham số anten vi dải U-slot bất đối xứng Nghiên cứu tính tốn thiết kế mơ anten vi dải băng siêu rộng (UWB) có băng thơng bao phủ hết dải tần từ 3.1 – 10.6 GHz để đáp ứng yêu cầu anten cho thiết bị di động sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng ... ANTEN VI DẢI Anten vi dải có vài thuận lợi so với anten vi sóng thơng thường đó, có nhiều ứng dụng bao phủ phạm vi băng tần rộng từ 100 MHz đến 100 GHz Một vài thuận lợi anten vi dải so với anten. .. nhiều chức anten nhiều băng tần đáp ứng yêu cầu Thiết kế anten băng rộng, anten băng siêu rộng xu hướng cần phát triển anten vi dải Chương giới thiệu vài phương pháp thiết kế anten vi dải băng rộng... xạ anten vi dải 1.2 SƠ LƢỢC VỀ ANTEN VI DẢI Hình 1.1 Cho thấy mơ hình anten vi dải hình chữ nhật hệ trục tọa độ (a) Anten vi dải (c) Hệ trục tọa độ (b) Mặt phẳng cắt ngang Hình 1.1 Anten vi dải