Thiết kế và mô phỏng anten vi dải cho điện thoại di động băng GSM900

Thiết kế và mô phỏng, anten vi dải, cho điện thoại di động, băng GSM900, Trường điện từ, anten và truyền sóng vô tuyến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -BÁO CÁO Môn học: Trường điện từ, anten và

truyền sóng vô tuyến

Đề Tài: Thiết kế và mô phỏng anten vi dải cho điện

thoại di động băng GSM900

Giáo viên hướng dẫn:

TS Phan Xuân Vũ Sinh Viên Thực Hiện:

Nguyễn Văn Trình 20134116

Hà Nội, 1/2018

MỤC LỤC

I.Tổng quan về anten vi dải 3

1.Khái niệm 3

2.Trường bức xạ của anten vi dải 3

3.Độ định hướng của anten vi dải 4

4.Tính toán kích thước của anten: 5

5.Tiếp điện cho anten 6

5.1 Tiếp điện bằng cáp động trục 6

5.2 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 6

II Mô phỏng anten path cho tần số 900MHz 7

1 Các bước thực hiện 7

1.1 Khởi động chương trình,tạo project mới 7

1.2 Thiết lập thông số và đối tượng 8

1.3 Thiết lập nguồn cho Anten 10

1.4 Chọn khoảng tần số khảo sát cho anten 11

2 Kết quả mô phỏng với CST 12

2.1 Đồ Thi S11 13

2.2 Đồ Thị VSWR: 13

2.3 Đồ Thị Phương Hướng Bức Xạ 3D 13

3 Đánh giá kêt quả 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

I.Tổng quan về anten vi dải

1.Khái niệm

Anten vi dải bao gồm 1 patch kim loại mỏng đặt cách mặt đất 1 khoảng rất nhỏ Patch của anten

vi dải được thiết kế để có đồ thị bức xạ cực đại Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trường bức xạ của vùng không gian bên dưới patch Patch và đất được tách biệt bởi 1 lớp điện môi Có nhiều loại điện môi nền có thể dùng để thiết kế anten vi dải ( hằng số này trong khoảng [2,2 ; 12]

Trong đề tài này em sử dụng anten patch vi dải

Anten patch vi dải bao gồm 1 patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng trên 1 mặt của miếng đế điện môi và đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế Anten patch vi dải thường có dạng hình chữ nhật và hình tròn

2.Trường bức xạ của anten vi dải

Trường bức xạ từ anten vi dải giống như bức tường dọc theo chu vi patch Sự bức xạ của anten

vi dải giống như sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch Đồ thị bức xạ của 1 đầu hở tương

tự như đồ thị bức xạ của 1 dipole Hertz Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng ở tần số cao, suy hao do bức xạ cao hơn nhiều so với suy hao do điện dẫn và điện môi Bức xạ sẽ mạnh hơn khi chế tạo với lớp điện môi dày và có hằng số điện môi thấp

Hình 1 Anten vi dải

Hình 2 Đồ thị bức xạ 3D của anten vi dải

Hình 3 Đồ thị bức xạ của anten vi dải theo H-plane và E-Plane

3.Độ định hướng của anten vi dải

Độ định hướng của anten được định nghĩa là :

D0=D max

D0 =

4 πUU max

P rad

4.Tính toán kích thước của anten:

Với f0=900 M Hz, ɛ r= 4.3 ¿,h=1.6 mm là đồ dày của tấm nền, độ dày lớp đồng bằng 0.035mm Chiều rộng của mặt bức xạ (patch)

W = c

2 f0√ɛ r+1

2

= 3∗10 8

2∗9∗10 8

√4.3+12

=102.3 mm

Với c=3 108m/s là vận tốc ánh sáng

Hằng số điện môi hiệu dụng :

ɛ eff=ɛ r+1

2 +

ɛ r−1

2 [1+12

h

W]

−1

2 = 4.3+1

2 +

4.3−1

2 [1+12

0.0016 102.3 ]

−1

2 = 4.164

Chiều dài hiệu dụng của patch:

L eff= c

2 f0√ɛ eff=

3∗10 8

2∗9∗10 8

√4.164=81.7 mm

Độ tăng chiều dài patch:

ΔLL=0.412 h

(ɛ eff+0.3)(W

h +0.264)

(ɛ eff−0.258)(W

h +0.8)

= 0.412.0 0016

(4.164 +0.3)( 102.3

0.0016+0.264) (4.164−0.258)( 102.3

0.0016+0.8)

=0.742 mm

Chièu dài patch :

L=L eff−2 ΔLL=81.7−2∗0.72=80.2mm

Kích thước của mặt đất (Wg và Lg) được xác định theo công thức:

Wg = 2*W

Lg = 2*L

5.Tiếp điện cho anten.

5.1 Tiếp điện bằng cáp động trục

Trong phương pháp tiếp điện cho angten vi dải bằng cáp đồng trục thì lõi cáp được hàn tiếp xúc với mặt phẳng bức xạ, vỏ cáp tiếp xúc với mặt phẳng đất Vị trí tiếp điện tốt nhất được tính toán

và xác định có tọa độ (L4, W/5) Phương pháp tiếp điện này có các ưu nhược điểm là dễ thực hiện và không có bức xạ phụ

5.2 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Trong kỹ thuật tiếp điện này, một dải dẫn được kết nối trực tiếp đến cạnh của mặt bức xạ Chiều rộng của dải dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của mặt bức xạ

Vị trí tiếp điện có tọa độ là (L/2, 0)

Chiều rộng dải dẫn:

W f=2 h

πU {B−1−ln (2 B−1)+ ɛ r−1

2 ɛ r [ln (B−1)+0.39−0.6 1

ɛ r ] }=2.57 mm

Trong đó B= 2 Z 377 πU

0√ε r=

377 πU

2.50√4.3=5.11

Kích thước Lf = λ/4

II Mô phỏng anten path cho tần số 900MHz

1 Các bước thực hiện

1.1 Khởi động chương trình,tạo project mới

- Khởi động chương trình CST STUDIO SUITE

- Chọn File =>New để tạo project mới

- Chọn Microwaves&RF=>Antennas>Planar=>Time Domain Sau đó chọn các Unit phù hợp

1.2 Thiết lập thông số và đối tượng

- Điềm vào bảng Parmeter List các giá trị thiết kế :

- Chọn tab Modeling => khối Brick trên thanh công cụ Sau đó double click để chọn các điểm khối:

Khối Ground: vật liệu Copper

Khối Subtrate: vật liệu FR4 (lossy)

Khối Path: gồm 2 khối cơ bản vật liệu Copper

Với các kích thước:

Khi đó ta được anten dạng :

1.3 Thiết lập nguồn cho Anten

Ở đây ta cấp nguồn theo cách đường truyền vi dải:

- Chọn Simulation=>Pick=> Pick Egde và chọn mặt như hình:

- Sau đó chọn Simulation=>Waguide Port Và thiết lập các thông số :

1.4 Chọn khoảng tần số khảo sát cho anten Chọn Simulation=>Frequency và nhâp: Fmin = 700 và Fmax=1100

2 Kết quả mô phỏng với CST

Chọn Home=>Start Simulation

Sau khi chạy xong chúng ta sẽ thấy kết quả trên tab Navigation Tree:

Ta có kết quả như sau

2.1 Đồ Thi S11

2.2 Đồ Thị VSWR:

2.3 Đồ Thị Phương Hướng Bức Xạ 3D

3 Đánh giá kêt quả

+Đồ thị phương hướng bức xạ của anten path có dạng tương như trong lý thuyết +Đồ thị S11 khá chính xác,tần số cộng hưởng gần với 900 MHz

+Hệ số định hướng của anten gần với 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Antenna Theory-Analysis And Design 3rd, JOHN WILEY & SONS, INC [2] http://www.antenna-theory.com