anten vi dải tần số 3Ghz

Ăng ten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng bức xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi. Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L. Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng Hình 1.1: Anten vi dải hình chữ nhật 1.2. Phân loại và đặc tính của anten vi dải Các ăng ten vi dải được phân loại theo hình dạng và vị trí đặt các tấm bức xạ vi dải, có thể được quy về 4 dạng chính: + Ăng ten vi dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna): tấm bức xạ của ăng ten có thể có nhiều hình dạng khác nhau. + Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), các tấm bức xạ được đặt đối xứng ở cả 2 phía (mặt) của tấm điện môi. + Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): các khe hẹp được tích hợp trên bề mặt tấm bức xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân bố dòng điện. + Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip TravelingWave Antenna) tấm bức xạ là các dải có dạng sóng, xoáy trôn ốc… Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với các ăng ten vi sóng truyền thống như: kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay; giá thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in; dễ dàng tích hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm điện môi; tính linh động cao: sự thay đổi về hình dạng của tấm bức xạ, kích thước, chất liệu điện môi…cho phép thay đổi các đặc tính đặc trưng của ăng ten như tần số cộng hưởng, sự phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông…; khả năng tạo ra phân cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện, hình dạng của ăng ten và các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng ten. Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế: băng hẹp; hiệu suất bức xạ thấp; công suất nhỏ; chỉ bức xạ trong một nửa không gian trên mặt phẳng đất; khó có thể đạt được sự phân cực thuần và sự bức xạ do các mối nối và tiếp điện. Thường được ứng dụng cho dải tần 120 GHz 1.3. Các thông số và các bước tính toán thiết kế anten vi dải a) Các thông số của anten Độ lợi của anten vi dải: Trở kháng trong được tính theo công thức:

BÁO CÁO THỰC HÀNH Bài thực hành: Tính tốn thiết kế mô anten vi dải với tần số 3GHz PHẦN 1: LÝ THUYẾT Cấu trúc anten vi dải Ăng ten vi dải trường hợp đơn giản bao gồm miếng xạ nhỏ nằm mặt lớp đế điện mơi, có mặt phẳng nối đất chất dẫn điện lý tưởng nằm mặt lại lớp đế điện mơi Miếng xạ có chiều rộng W chiều dài L Giống nguyên tắc xạ ăng ten nửa sóng Hình 1.1: Anten vi dải hình chữ nhật 1.2 Phân loại đặc tính anten vi dải Các ăng ten vi dải phân loại theo hình dạng vị trí đặt xạ vi dải, quy dạng chính: + Ăng ten vi dải dạng (Microstrip Patch Antenna): xạ ăng ten có nhiều hình dạng khác + Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), xạ đặt đối xứng phía (mặt) điện môi + Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): khe hẹp tích hợp bề mặt xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân bố dòng điện + Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) xạ dải có dạng sóng, xốy trơn ốc… Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với ăng ten vi sóng truyền thống như: kích thước nhỏ nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay; giá thành rẻ dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng cơng nghệ mạch in; dễ dàng tích hợp với mạch tích hợp vi dải khác điện mơi; tính linh động cao: thay đổi hình dạng xạ, kích thước, chất liệu điện mơi…cho phép thay đổi đặc tính đặc trưng ăng ten tần số cộng hưởng, phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông…; khả tạo phân cực tuyến tính phân cực tròn cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện, hình dạng ăng ten đường tiếp điện mạng phối hơp trở kháng chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng ten Tuy nhiên anten vi dải có mặt hạn chế: băng hẹp; hiệu suất xạ thấp; công suất nhỏ; xạ nửa không gian mặt phẳng đất; khó đạt phân cực xạ mối nối tiếp điện - Thường ứng dụng cho dải tần 1-20 GHz 1.3 Các thơng số bước tính tốn thiết kế anten vi dải a) Các thông số anten - Độ lợi anten vi dải: - Trở kháng tính theo cơng thức: - Chiều rộng patch anten: - Tần số hiệu dụng: - Hằng số điện môi hiệu dụng: - Chiều dài patch anten: Với: b) Các bước tính tốn thiết kế anten vi dải b.1) Với phương pháp - B1 Tính tốn kích thước patch, gồm: W, L theo tần số công tác số điện mơi + Tính W + Tính fr + Tính ref + Tính L + Tính L - B2 Tính trở kháng patch Za theo W, L - B3 Tính tốn kích thước đường tiếp điện chuẩn hóa (50 Ohm Hoặc 75 Ohm…) Zin - B4 Tính tốn đường tiếp điện phối hợp trở kháng Z0 - B5 Thiết lập nguồn (port) mô b.2) Sử dụng phương pháp inset - B1 Tính tốn kích thước patch, gồm: W, L theo tần số công tác số điện mơi + Tính chiều rộng patch W, tính fr + Tính ref + Tính L, tính chiều dài patch L - B2 Tính tốn kích thước đường tiếp điện Tính chiều rộng đường truyền W0 theo trở kháng chuẩn hóa Zin= 50 75  Tính chiều dài đường truyền L0 0/4  B3 Tính tốn chiều dài khe phối hợp trở kháng (inset) x0 B4 Thiết lập nguồn (port) mô PHẦN 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ TÍNH TỐN THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI 2.1 Yêu cầu thiết kế Thiết kế mơ anten vi dải có tần số 3GHz, sử dụng chất điện môi RT/duroid 5880 (d=1.588 mm,  r  2.2 ) 2.2 Các bước tính toán, thiết kế lý thuyết - Chọn trở kháng đường dây vào là: Ω - Ta có độ dày chất điện môi d=1.588 mm,  r  2.2 -> Bước sóng: 0  c x108   0.1m  100mm f x109 - Tính tốn thơng số anten: + Chiều rộng: W f r  0 + Hằng số điện môi hiệu dụng: 0 1 = 39.5 mm  eff  r 1   r 1 12d 2x  W = 2.093 + Chiều dài: L c f  eff  0.824.d( W  0.264) d ) W  0.258)(  0.8) d = 32.89 mm ( eff  0.3)( ( eff + Trở kháng trong: r2 L Za  90( )( )  251.67  r 1 W + Độ sâu rãnh PHTK: X = = 11.614 mm + Chiều dài đoạn dây tranmission line: == 16.998 mm - Chiều rộng đoạn dây tranmission line: Sử dụng công cụ tính tốn phần mềm CST: + Vào home -> Macros -> Calulate -> Calulate analytical line impedance + Sau chọn Thin Microtrip + Nhập tần số, độ dày chất điện mơi, số điện mơi sau điều chỉnh W cho trở kháng Z0=50Ω Từ ta độ rộng đoạn dây tranmission line là: = 6.1249188559072 mm 2.3 Bảng thơng số tính tốn thiết kế STT Thông số 0 W Giá trị 100 mm 39.5 mm 2.093 L x 32.89 mm 11.614 mm 16.998 mm 6.1249188559072  eff mm 3.MƠ PHỎNG 3.1 Các bước mơ - B1: Khởi động phần mềm CST STUDIO SUITE - B2: Tạo file thiết kế thông số bảng thơng số + Kích thước điện mơi sau: + Kích thước patch: + Kích thước đường tranmission line: Sau thiết kế ta hình dạng anten vi dải sau - B3: Chạy mô - B4: Kết quả: Sau chạy mô ta kết sau: a) Xét hệ số tổn hao ngược S1.1 -> Nhận xét Tần số trung tâm 2.9981 GHz, độ sâu -42.9 dB -> phối hợp trở kháng tốt, băng thông làm việc [2.9 GHz – 3.02 Ghz]= 120MHz có phần hẹp nguyên nhân sử dụng chất điện môi RT 5880, bù lại ta hiệu suất làm việc tốt 10 b) Xét farfield (f=3GHz) 11 - Đồ thị polar: -> Nhận xét: + Độ định hướng: 8.05 dbi phù hợp với lý thuyết độ định hướng khoảng [6.6 dbi – 8.2 dbi] - Điện áp tỉ số sóng đứng VSWR1: BÀN LUẬN, ĐÁNH GIÁ 12 4.1 So sánh kết với mô lý thuyết - Về độ lợi, mô đạt độ lợi 8.05 dbi phù hợp so với lý thuyết - Sử dụng thơng số tính tốn lý thuyết ta thấy: + Tần số trung tâm đạt 2.99 GHz gần sát với 3GHz + Độ lợi, độ định hướng tốt + Phối hợp trở tốt -> Anten với thơng số tính tốn ban đầu đạt 4.2 Đánh giá Kết quan sát trình thiết kế khảo sát sau: - Thay đổi chiều dài L độ rộng W patch làm thay đổi tần số trung tâm giảm khả phối hợp trở kháng anten 13 ... Các thông số bước tính tốn thiết kế anten vi dải a) Các thông số anten - Độ lợi anten vi dải: - Trở kháng tính theo cơng thức: - Chiều rộng patch anten: - Tần số hiệu dụng: - Hằng số điện môi... nguồn (port) mơ PHẦN 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ TÍNH TỐN THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI 2.1 Yêu cầu thiết kế Thiết kế mô anten vi dải có tần số 3GHz, sử dụng chất điện môi RT/duroid 5880 (d=1.588 mm,  r ... hiệu dụng: - Chiều dài patch anten: Với: b) Các bước tính tốn thiết kế anten vi dải b.1) Với phương pháp - B1 Tính tốn kích thước patch, gồm: W, L theo tần số công tác số điện mơi + Tính W + Tính