Nghiên cứu sử dụng Matlab và HFSS trong thiết kế anten vi dải

Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế và mô phỏng anten vi dải thông qua việc kết hợp phần mềm Matlab và HFSS (High Frequency Structure Simulator). Đầu tiên, một chương trình Matlab được xây dựng để tính toán kích thước anten.

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 67 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MATLAB VÀ HFSS TRONG THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI A RESEARCH OF USING MATLAB AND HFSS TO DESIGN THE MICROSTRIP ANTENNA TS ĐỖ QUANG HƢNG1; HOÀNG VĂN TIÊN2 1,2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Email: hungdq@utt.edu.vn TÓM TẮT: Anten vi dải thiết bị sử dụng rộng rãi hệ thống định vị toàn cầu, liên lạc vệ tinh di động truyền hình vệ tinh Tuy nhiên, việc thiết kế anten vi dải phức tạp cần nhiều thời gian tính tốn Bài báo trình bày phương pháp thiết kế mô anten vi dải thông qua việc kết hợp phần mềm Matlab HFSS (High Frequency Structure Simulator) Đầu tiên, chương trình Matlab xây dựng để tính tốn kích thước anten Các tham số đầu vào tần số hoạt động, độ dày lớp điện môi, số điện môi trở kháng đầu vào Tiếp theo, phần mềm HFSS sử dụng để xác định mơ độ lợi, hệ số sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) xạ anten Phương pháp làm đơn giản hóa việc thiết kế anten vi dải TỪ KHÓA: anten vi dải, độ lợi, hệ số sóng đứng VSWR, Matlab, HFSS ABSTRACT: Microstrip antenna has been widely used in GPS (Global Positioning System), mobile satellite communications and Direct-Broadcast Satellite (DBS) However, designing microstrip antenna is complicated and time consuming This paper presents an approach to design microstrip patch antenna by the combination of Matlab and HFSS (High Frequency Structure Simulator) software Firstly, a Matlab program is developed to calculate antenna parameters The program inputs are the resonant frequency, the height of the substrate, the constant of the substrate, and the input impedance Then, the HFSS software is used to determine and simulate the gain, the voltage standing wave ratio (VSWR), and the radiation of antenna The proposed approach simplifies designing the microstrip antenna KEYWORDS: microstrip antenna, gain, voltage standing wave ratio (VSWR), Matlab, HFSS GIỚI THIỆU Anten vi dải (MSA) loại anten cấu hình đơn giản, có nhiều lợi anten loại như: khối lượng nhẹ, chi phí rẻ dễ dàng tích hợp vào thiết bị điện Anten vi dải sử dụng rộng rãi dải tần số sóng cực ngắn ứng dụng sóng milimet Những anten vi dải bao gồm patch kim loại vật liệu dẫn điện đặt đầu bề mặt với độ rộng W, độ dài L, miếng feed vi dải w mặt phẳng đất nằm đối diện với bề mặt tách biệt đế điện môi với độ dày h số điện mơi εr hình 1[1] NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 68 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Hình Hình dạng anten vi dải Miếng patch kim loại có nhiều hình dáng khác Tuy nhiên, hình chữ nhật hình trịn sử dụng nhiều Miếng patch kim loại tạo hốc cộng hưởng, nơi miếng patch đặt đỉnh hốc, mặt phẳng đất đáy hốc đường viền cạnh bề mặt hốc Các cạnh miếng patch hoạt động tương đương đường biên hở mạch Do đó, miếng patch hoạt động gần dây dẫn điện hoàn hảo đỉnh, đáy bề mặt dây dẫn từ hồn hảo cạnh Anten vi dải thiết kế hoạt động dải tần số lớn (1- 40GHz) Việc thiết kế anten vi dải sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn mạng cục không dây (WLAN), mạng cảm biến không dây, bluetooth, điện thoại không dây hầu hết thiết bị băng ISM Tuy nhiên, trở ngại lớn antenvi dải chúng sử dụng cho ứng dụng băng thông nhỏ[1] THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 2.1 Các phƣơng pháp cấp nguồn phân tích anten vi dải Có số phương pháp phân tích cho anten vi dải bao gồm: hốc cộng hưởng, tồn sóng (bao gồm cơng thức tích phân phương pháp Moment) đường truyền Phương pháp hốc cộng hưởng cung cấp chi tiết mặt vật lý khó để làm mẫu ghép nối, sử dụng Các mơ hình tồn sóng có xác, linh hoạt xử lý phận đơn lẻ, mảng hữu hạn vô hạn, phần xếp chồng, phận tùy ý khép nối Tuy nhiên, mơ hình mơ hình phức tạp khơng cung cấp chi tiết mặt vật lý Trong nghiên cứu này, mơ hình đường truyền sử dụng Mơ hình đường truyền cung cấp chi tiết mặt vật lý phương pháp thuận tiện việc thiết kế[2] Do giới hạn số trang báo nên hai phương pháp cịn lại khơng đề cập tới Có nhiều cấu hình mà sử dụng để cấp nguồn cho anten vi dải Bốn phương pháp phổ biến là: đường vi dải, probe đồng trục, ghép khe, ghép gần Tuy nhiên, Nghiên cứu sử dụng đường truyền vi dải dễ dàng để sản xuất, phù hợp với kiểm soát vị trí ghép dễ dàng để làm mẫu Cấu hình đường truyền vi dải biểu diễn hình NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ 69 Hình Đường truyền vi dải Hình Chiều dài hiệu dụng vật lý Anten cấp nguồn đường truyền vi dải có hiệu ứng viền, patch anten vi dải trơng lớn kích thước vật lý mặt phẳng E (mặt phẳng Oxy), điều rõ hình 3, kích thước chiều dài patch mở rộng khoảng L phía, với L hàm số điện môi hiệu dụng  reff tỷ số chiều rộng bề dày điện môi (W/h)[3] 2.2 Thiết kế Dựa công thức đơn giản mơ tả, quy trình tính tốn thiết kế cho anten vi dải hình chữ nhật vạch Giả sử ta có thơng số ban đầu: số điện môi ( r ) , tần số hoạt động ( f r ) chiều cao lớp điện mơi (h) Ta có trình tự thiết kế sau: Giả thiết:  r , fr (Hz) h Xác định: W, L, Lg, Wg Thiết kế: Những thơng số tính dựa vào công thức bảng Bảng Những thông số công thức kết hợp Thông số Độ rộng patch[4] Công thức W Hằng số điện môi hiệu dụng[5]  reff c   r  fr f r 0    r 1  h  r   12   2  W Độ dài mở rộng[3] L  0.412h   NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG reff reff 0 1  (1) W   0.3   0.264  h   W    0.258    0.8  h   (2) (3) Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ 70 Thơng số Công thức Độ dài patch L c  2L   2L (4) f r  reff 0 f r  reff Độ dài tối thiểu lớp đất Lg  6.h  L (5) Độ rộng tối thiểu lớp đất Wg  6.h  W (6) Độ rộng đường vi dải 7.48h w e (7) Zo  r 1.41 87 Chương trình dựa Matlab phát triển để tính tốn thơng số Giả định anten vi dải với thông số cung cấp bảng Thông số đầu vào đầu chương trình hình Bảng Thông số đầu vào fr r h Phương pháp cấp nguồn Vận tốc Z0 2.4Ghz 4.3 1.6mm Đường truyền vi dải c  1011 (mm / s) 50 Hình Thơng số đầu vào đầu 2.3 Mơ Q trình mơ thực HFSS (High Frequency Structural Simulator) HFSS công cụ thường sử dụng để thiết kế anten thành phần mạch điện RF phức tạp bao gồm lọc, đường truyền đóng gói Các thơng số đầu vào HFSS xsize , ysize zsize (nếu cần thiết) Hình hình dạng Hình Các kết thu sau mô bao gồm độ lợi anten vi dải, tham số S11, mẫu xạ VSWR (hệ số sóng đứng) Độ lợi định nghĩa "tỷ lệ cường NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 71 độ (theo hướng định) với cường độ xạ thu lượng chấp nhận anten xạ đẳng hướng Cường độ xạ tương ứng với lượng xạ đẳng hướng chấp nhận (đầu vào) anten chia cho 4π"[2] Tham số S11 mơ tả hoạt tính mạng điện tuyến tính trải qua trạng thái kích thích ổn định khác tín hiệu điện Các mơ hình xạ hình chiếu độ lợi mặt phẳng 2D Đồ thị VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) hàm hệ số phản xạ, mơ tả lượng phản xạ từ anten Figure Input dimension Figure Shape of MSA Mô thực HFSS (High Frequency Structural Simulator) Kết mô tham số suy hao S11 anten vi dải minh họa Hình Các kết cho thấy anten xạ tốt tần số 2.33 GHz S11 = -9,6 dB Hơn nữa, mức 1.5 GHz anten không xạ S11 xấp xỉ dB (vì tất lượng phản xạ) Hình Mơ tham số S11 Hình Đồ thị xạ Từ miếng patch vi dải xạ tới bề mặt patch nó, đồ thị góc φ=0 φ=900 trở nên quan trọng Đồ thị xạ anten vi dải đưa độ lợi 00 900 minh họa hình Hình cho thấy độ thị độ lợi độ lợi đề xuất 2.4GHz đạt 5.2dB Hình Độ lợi NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THƠNG Hình 10 VSWR Số 02/2016 72 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Hình 10 mơ tả đồ thị tần số với độ lớn dB VSWR Trong trường hợp hệ số suy hao sóng đứng VSWR anten đạt 2.35dB KẾT LUẬN Bài báo trình bày bước thiết kế anten vi dải việc kết hợp Matlab HFSS Ví dụ minh họa cho việc thiết kế anten vi dải chứng minh khả ứng dụng phương pháp đề xuất Hiệu ảnh hưởng miếng patch ảnh hưởng cải thiện đặc tính anten đặc tính xạ mặt phẳng E H khảo sát báo Phương pháp đề xuất đơn giản hóa q trình thiết kế anten vi dải TÀI LIỆU THAM KHẢO [6] Murthi Mahadeva Naik G, Dr Naveen Kumar S.K, Bhavya, B.P, (2015), “Performance analysis of microstrip patch antenna using coaxial probe feed technique,” International Journal of Technical Research and Applications, vol 3, no 3, pp 365-367 [7] Constantine A Balanis, Antenna theory analysis and design- 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey [8] E O Hammerstad, (1975), “Equations for Microstrip Circuit Design,” Proceedings of the fifth European Microwave Conference, pp 268–272 [9] I J Bahl and P Bhartia, (1980), Microstrip Antennas, Artech House, Dedham, MA [10] C A Balanis, (1989), Advanced Engineering Electromagnetics, JohnWiley & Sons, New York Ngƣời phản biện: GS.TS Nguyễn Quốc Bảo NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 ... VSWR Trong trường hợp hệ số suy hao sóng đứng VSWR anten đạt 2.35dB KẾT LUẬN Bài báo trình bày bước thiết kế anten vi dải vi? ??c kết hợp Matlab HFSS Ví dụ minh họa cho vi? ??c thiết kế anten vi dải. .. nhiều cấu hình mà sử dụng để cấp nguồn cho anten vi dải Bốn phương pháp phổ biến là: đường vi dải, probe đồng trục, ghép khe, ghép gần Tuy nhiên, Nghiên cứu sử dụng đường truyền vi dải dễ dàng để... dây hầu hết thiết bị băng ISM Tuy nhiên, trở ngại lớn antenvi dải chúng sử dụng cho ứng dụng băng thông nhỏ[1] THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 2.1 Các phƣơng pháp cấp nguồn phân tích anten vi dải Có số phương