Bài tập lớn Anten truyền sóng Anten vi dải Microstrip patch HFSS

Anten vi dải có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin liên lạc. Tuy nhiên, anten vi dải có dải tần hẹp dẫn đến việc mở rộng dải tần là cần thiết tùy theo các yêu cầu ứng dụng thực tế. Để tăng dải tần của anten, chúng ta có thể giảm hằng số điện môi, tuy nhiên điều này dẫn sẽ tới tăng kích thước. Bài toán đặt ra là: Giữ nguyên kích thước của anten mà có thể tăng được dải tần của anten cũng như nâng cao đến hiệu suất hoạt động của Anten

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ANTEN-TRUYỀN SÓNG

ĐỀ TÀI:

MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI

VỚI PHƯƠNG PHÁP TẠO DỊ TẬT TRÊN MẶT PHẲNG ĐẤT

GVHD: TS Phan Xuân Vũ

Mã lớp: 112087

NHÓM THỰC HIỆN

Nguyễn Công Phúc (NT) 20172749

Lê Văn Tiến Dũng

Hoàng Nhật Quang

20172492

20172772

Hà Nội, tháng 12 năm 2019

MỤC LỤC 2

ĐẶT VẤN ĐỀ 3

ANTEN VI DẢI VỚI MẶT PHẲNG ĐẤT KHÔNG CÓ DỊ TẬT 4

1 Theo bài báo 4

2 Mô phỏng 7

ANTEN VI DẢI VỚI MẶT PHẲNG ĐẤT CÓ DỊ TẬT 11

1 Theo bài báo 11

2 Mô phỏng 14

KẾT LUẬN 16

Anten vi dải có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong

hệ thống thông tin liên lạc Tuy nhiên, anten vi dải có dải tần hẹp dẫn

đến việc mở rộng dải tần là cần thiết tùy theo các yêu cầu ứng dụng

thực tế Để tăng dải tần của anten, chúng ta có thể giảm hằng số điện

môi, tuy nhiên điều này dẫn sẽ tới tăng kích thước

Bài toán đặt ra là: Giữ nguyên kích thước của anten mà có thể

tăng được dải tần của anten cũng như nâng cao đến hiệu suất hoạt

động của Anten

Do đó để tăng dải tần mà không thay đổi kích thước, người ta sử

dụng kỹ thuật Defected Ground Structure (DGS) là một kỹ thuật dùng

để sửa đổi lại mặt phẳng đất trong anten để nâng cao hiệu suất hoạt

động của anten Kỹ thuật này được hiểu đơn giản là đặt một “dị tật”

lên trên mặt phẳng đất của anten vi dải

Trong bài báo cáo này, chúng em dựa trên bài báo “Design and

Improvement of Microstrip Patch Antenna Parameters Using

Defected Ground Structure” tiến hành mô phỏng anten vi dải cơ bản

không sử dụng kỹ thuật DGS và so sánh với anten vi dải có mặt phẳng

đất bị khuyết dạng hình chữ H kép

Nhóm chúng em sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng anten Ansys

HFSS để mô phỏng lại và so sánh 2 anten này và so sánh với bài báo

1 Theo bài báo

Anten này được bài báo thiết kế để hoạt động ở tần số 2,4 GHz Phần đế(substrate) sử dụng vật liệu điện môi môi FR4-epoxy với hằng

số điện môi ε=4.4, phối hợp trở kháng bằng cách cắt sâu vào một

khoảng yo Các thông số thiết kế khác được tác giả trình bày trong hình và bảng sau:

Hình 1: Thông số thiết kế

Với các thông số thiết kế như trên, kết quả mô phỏng thu được như sau:

Mô phỏng tại tần số

2.4 Ghz, anten vi dải

có hệ số phản xạ -15.5 dB,

tuy nhiên dải tần tính tại

các điểm đồ thị giao với

đường -10 dB khá hẹp

Hình 2: Đồ thị S(1,1) theo kết quả mô phỏng của bài báo

Hệ số sóng đứng điện áp

tại tần số mô phỏng đạt

được là 1.435 là rất tốt,

chỉ khoảng 4% năng

lượng truyền tới anten bị

phản xạ lại

Hình 3: Đồ thị hệ số sóng đứng điện áp theo kết quả mô phỏng của bài báo

Trên hình, tăng ích tối đa thu

được là 4.2 dB với băng thông

(beamwidth) 93.6130.

Hình 4: Đồ thị phương hướng bức xạ theo kết quả mô phỏng của bài báo

Từ đồ thị Smith, ta thấy

anten có trở kháng vào

54.587 Ohm tại tần số 2.4

Ghz, chưa phối hợp trở

kháng 50 Ohm

Hình 5: Đồ thị Smith của anten theo kết quả mô phỏng của bài báo

2 Kết quả mô phỏng

Nhóm chúng em thực hiện mô phỏng với các thông số như trong bảng sau:

Wg Lg wp lp wc lc wo

Thông số

tính toán

47.6363mm 37.9012mm 38.03mm 28.3mm 5mm 8.1016mm 3mm

Thông số

tối ưu

47.6363mm 37.9012mm 38.03mm 29mm 5.3mm 8.1016mm 3mm

Hình 6: Kích thước mặt trên của anten vi dải

• Kết quả mô phỏng theo thông số bài báo tính toán cung cấp:

Đồ thị S(1,1) không đi xuống ở tần số 2,4Ghz mà bị lệch sang khoảng 2,469GHz Cần phải tối ưu lại

Hình 7: Đồ thị S(1,1) mô phỏng thông số bài báo cung cấp

• Kết quả mô phỏng theo thông số tối ưu được:

Đồ thị S(1,1)

Hình 8: Đồ thị S(1,1) theo thông số đã tối ưu

Từ đồ thị có thể thấy đồ thị đã đi xuống ở điểm có tần số 2.4 Ghz

Đồ thị VSWR

Hình 9 : Đồ thị VSWR theo thông số đã tối ưu

Ở 2.4Ghz, VSWR đạt được là 1,4420 khá gần so với 1.435 của

bài báo

Đồ thị phương hướng bức xạ

Hình 10: Đồ thị phương hướng bức xạ theo thông số đã tối ưu

Gain lớn nhất đạt được là 2.157dB trong khi của bài báo mô

phỏng được là 4.2dB

Đồ thị Smith

Hình 11: Đồ thị Smith theo thông số đã tối ưu

Kết quả anten mô phỏng phối hợp trở kháng khá tốt với đường S(1,1)

đi qua (R=1)

1 Theo bài báo

Tác giả giữ nguyên thiết kế phần trên, chỉ thay đổi cấu trúc của phần mặt phẳng đất Với việc thêm dị tật khuyết chữ H vào phần này, tác giả muốn tìm hiểu ảnh hưởng của việc sử dụng DGS trong thiết kế

ăn ten vi dải

Theo bài băng thông của anten này khi có dị tật khuyết chữ H kép

ở mặt phẳng đất cải thiện được 34,1846 MHz, hệ số phản xạ lên tới -33.73dB so với anten cơ bản không có dị tật

Hình 12: Kích thước của dị tật khuyết chữ H kép ở mặt phẳng đất

Với thiết kế như vậy, tác giả bài báo thu được kết quả mô phỏng như sau:

Ta có thể thấy băng thông được

tăng lên tới 76.8158 Mhz với hệ

số phản xạ -33.73 dB

so với -15.5 dB trước khi

sử dụng DGS

Hình 13: Đồ thị S(1,1) với DGS theo kết quả bài báo

Tỷ số sóng đứng tại tần số

2.4GHz đạt 1.06, nghĩa là

gần như tất cả năng lượng

truyền tới ăn ten đều không

bị phản xạ lại

Kết quả thu được

Gain lớn nhấn 4.3 dB

không thay đổi nhiều

so với khi chưa sử dụng

DGS

Hình 14: Đồ thị phương hướng bức xạ với DGS theo kết quả bài báo

2 Kết quả mô phỏng

HL1 H1 HR1

L W L W L W

Thông số tối ưu

L W L W L W

Thông số tối ưu

• Theo thông số bài báo:

Đồ thị S(1,1)

Kết quả mô phỏng thất bại, đồ thị S(1,1) không đi xuống tại 2.4GHz

• Theo thông số tối ưu:

Chưa thể tối ưu được các thông số để ra được kết quả theo như bài

báo

Qua quá trình tìm hiểu và mô phỏng lại ăn ten vi dải được trình bày trong bài báo, việc thêm các dị tật trên mặt phẳng đất của anten sẽ giúp làm giảm hệ số phản xạ cũng như cải thiện độ rộng dải thông, vốn là nhược điểm lớn nhất của anten vi dải

Dù đã cố gắng tìm hiểu, nhưng do còn chưa đủ kỹ năng nên

nhóm chúng em vẫn chưa mô phỏng được thành công tác dụng của việc sử dụng DGS trong thiết kế ăn ten vi dải

Thông bài tập lớn lần này, chúng em thấy rằng việc thiết kế anten

có đặt DGS trên mặt phẳng đất của anten vi dải phải được tính toán thật kĩ (cả về kích thước lẫn vị trí trên mặt phẳng đất của anten vi dải) Chúng ta cần phải khảo sát bằng phần mềm mô phỏng trước khi đưa vào mạch thực tế

Lời cuối, chúng em xin cảm ơn thầy vì những kiến thức và kinh nghiệm quý báu thầy đã dạy chúng em trong suốt quá trình học Đó sẽ

là hành trang quý báu giúp chúng em trong quá trình học tập và

nghiên cứu sau này