Thiết kế anten fractal đa tần cấu trúc hình chữ e cho các tiêu chuẩn di động, tiêu chuẩn lte cho băng tần s

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ ANTEN FRACTAL ĐA TẦN CẤU TRÚC HÌNH CHỮ E CHO CÁC TIÊU CHUẨN DI ĐỘNG, TIÊU CHUẨN LTE CHO BĂNG TẦN S Sinh viên thực hiện: Lớp: NGUYỄN THỌ MẠNH 51K2 - ĐTVT Niên khóa: 2010 - 2015 Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ THỊ KIỀU NGA NGHỆ AN , 01 - 2015 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .v MỞ ĐẦU vi TÓM TẮT ĐỒ ÁN vi DANG MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Giới thiệu Anten 1.2 Các tham số anten .2 1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten 1.2.2 Giản đồ xạ .4 1.2.3 Mật độ công suất xạ 1.2.4 Cường độ công suất xạ 1.2.5 Hệ số định hướng 1.2.6 Hệ số tăng ích .8 1.2.7 Băng thông 1.2.8 Trở kháng vào 1.2.9 Đồ thị phương hướng độ rộng búp sóng 10 1.2.10 Hệ số phản xạ (Γ) .10 1.2.11 Hệ số tổn hao ngược (RL) 11 1.2.12 Hệ số sóng đứng (VSWR) 11 1.2.13 Hiệu suất anten 11 CHƯƠNG ANTEN VI DẢI 13 2.1 Giới thiệu chung anten vi dải 13 2.2 Định nghĩa anten vi dải 13 2.3 Các hình dạng anten vi dải .13 2.3.1 Anten patch vi dải 14 2.3.2 Dipole vi dải .14 2.3.3 Anten khe 14 2.3.4 Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA) 14 2.4 Đặc tính Microstrip Antennas (MSA) .15 2.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA (feed method) .15 2.5.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải 16 2.5.2 Cấp nguồn probe đồng trục .16 2.6 Mơ hình đường truyền (Transmission Line) 18 2.6.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 19 2.6.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng 19 2.7 Trường xạ anten vi dải 20 2.7.1 Thế vectơ số cơng thức tính trường xạ 20 2.7.2 Công suất xạ 21 2.7.3 Công suất tiêu tán .22 CHƯƠNG GIỚI THIỆU HÌNH HỌC FRATAL VÀ ANTEN FRACTAL .22 3.1 Giới thiệu hình học fractal 22 3.1.1 Sự đời hình học fractal 22 3.1.2 Cơ sở toán hình học fractal 25 3.1.3 Ứng dụng hình học fractal 25 3.2 Sử dụng hình học fractal anten 26 3.2.1 Giới thiệu anten fractal 26 3.2.2 Anten yếu tố fractal 27 3.2.3 Các hình dạng ăng ten fractal 27 3.2.4 Ưu điểm nhược điểm anten fractal 32 3.2.5 Ứng dụng fractal anten .32 3.3 Kết luận chương 32 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MƠ PHĨNG ANTEN FRATAL HÌNH CHỮ E 32 4.1 Giới thiệu 32 4.2 Yêu cầu thiết kế 32 4.3 Tính tốn thơng số anten 33 4.3.1 Cấu trúc hình học anten 34 4.3.2 Cấu trúc hình học anten 34 4.3.3 Cấu trúc hình học anten 35 4.3.4 Cấu trúc hình học anten 36 4.4 Giới thiệu phần mềm HFSS 37 4.5 Kết mô đánh giá kết anten 37 4.5.1 Kết mô anten 38 4.5.2 Kết mô anten 40 4.5.3 Kết mô anten 42 4.5.4 Kết mô anten 44 4.6 Kết luận chương 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành gửi đến ban giám hiệu nhà trường tạo điều kiện cho chúng em có mơi trường học tập tốt thời gian qua Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông giảng dạy giúp đỡ em suốt năm học qua Và qua em xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến giảng viên Th.S Lê Thị Kiều Nga ln theo sát, bảo tận tình suốt q trình thực đồ án tốt nghiệp Do nhiều mặt cịn hạn chế, q trình tìm hiểu cịn mang nhiều tính chủ quan nhìn nhận nên nội dung đề tài khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để đồ án hồn thiện Nghệ An, ngày 21 tháng 01 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thọ Mạnh MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thơng tin, giải trí người ngày cao cần thiết Bằng cách sử dụng hệ thống phát, thu vô tuyến phần đáp ứng nhu cầu cập nhật, trao đổi thông tin người khoảng cách xa cách nhanh chóng có độ xác cao Bất hệ thống vô tuyến phải sử dụng anten để phát thu tín hiệu.Trong sống ngày dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, BTS dùng cho mạng điện thoại di dộng Hay vật dụng cầm tay đàm, điện thoại di động, radio, TV… sử dụng anten Sự phát triển thông tin liên lạc nhu cầu sử dụng người ngày địi hỏi cao có nhiều loại anten với nhiều thiết kế mới, tối ưu nghiên cứu phát triển Trong đồ án em nghiên cứu thiết loại anten kiểu mới: “Thiết kế anten fractal đa tần cấu trúc hình chữ E cho tiêu chuẩn di động, tiêu chuẩn LTE cho băng tần S” Đồ án gồm chương: Chương trình bày lý thuyết anten, giới thiệu định nghĩa anten, nêu số loại anten khái niệm, đặc tính chúng Đưa số tham số để đánh giá hiệu suất thiết kế anten như: giản đồ xạ, công suất xạ, hệ số định hướng, hệ số tăng ích, trở kháng vào Chương giới thiệu lý thuyết anten vi dải phương pháp cấp nguồn, ưu nhược điểm anten vi dải Chương trình bày cấu trúc hình học fractal, dạng hình học fractal ứng dụng lý thuyết anten fractal, lịch sử phát triển, đặc tính anten fractal Chương thiết kế đưa kết mơ anten fractal hình chữ E Đánh giá kết mơ thu TĨM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, thiết kế anten fractal đa tần hình chữ E sử dụng cấu trúc hình học fractal việc lặp lặp lại cấu trúc hình chữ E Trong lần lặp ứng dụng đáp ứng tiêu chuẩn điện thoại di động GSM Lần lặp phù hợp với ứng dụng GSM/DCS/PCS/UMTS Với kết lần lặp thứ ba ứng dụng GSM DCS từ lặp lặp lại trước LTE xuất cho truyền thông không dây liệu tốc độ cao cho điện thoại di động thiết bị đầu cuối liệu sử dụng chủ yếu cho ứng dụng Wi-Max Một thiết kế đặc biệt tối ưu lặp lại lần thứ tư ứng dụng cho tiêu chuấn di động GSM/DCS tiêu chuẩn LTE băng tần S ABSTRACT In this thesis, a design of a new E-shape fractal antenna for multi frequency application is proposed, using fractal geometry by repeating the E-shaped structure In the first iteration of the application meets the criteria mobile GSM The next iteration in accordance with the application of GSM/DCS/PCS/UMTS Application matches with the result of third iteration is GSM and DCS from the previously iterations and the newly emerged LTE for wireless communication of high speed data for mobile phones and data terminals which is mainly used for Wi-Max applications A specially optimized design of the fourth repeat of E-fractal shape is designed for multi-frequency applications using standards for mobile GSM/DCS and LTE standards in S-band DANG MỤC BẢNG Trang Bảng 4.1 Các thông số thiết kế anten .34 Bảng 4.2 Các thông số thiết kế anten .34 Bảng 4.3 Các thông số thiết kế anten .35 Bảng 4.4 Các thông số thiết kế anten .36 Bảng 4.5 Tổng kết kết thiết kế đạt 46 Trang Hình 1.1 Các trường xạ khu xa .3 Hình 1.2 Hệ tọa độ phân tích anten Hình 1.3 Bức xạ đẳng hướng Hình 1.4 Bức xạ hướng tính Hình 1.5 Các búp sóng khơng gian chiều .6 Hình 1.6 Các búp sóng mặt phẳng chiều Hình 2.1 Cấu hình anten vi dải 13 Hình 2.2 Các dạng anten vi dải thơng dụng 14 Hình 2.3 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 16 Hình 2.4 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 17 Hình 2.5 Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình chữ nhật 17 Hình 3.1 Tập Cantor 23 Hình 3.2 Đệm Sierpinsky tuyết Von Koch 23 Hình 3.3 Hàm Weierstrass 23 Hình 3.4 Tập Julia với giá trị khởi tạo khác 24 Hình 3.5 (a) gasket Sierpinski (b) Sierpinski đơn cực (c) Sierpinski lưỡng cực 28 Hình 3.6 Bốn lớp cấu trúc Sierpinski carpet 29 Hình 3.7 Các bước xây dựng đường cong Koch .29 Hình 3.8 Đường cong Hilbert 30 Hình 3.9 Khởi đầu cách tạo hình học Peano giusepe fractal 30 Hình 3.10 Giusepe Peano fractal áp dụng cho cạnh vá lõi kim loại .30 Hình 3.11 hình học đề xuất 31 Hình 3.12 Minh họa năm lần lặp cho fractal Pythagore .31 Hình 3.13 Ba lần lặp lại đường cong Minkowski 31 Hình 4.1 Thơng số thiết kế anten .34 Hình 4.2 Thơng số thiết kế anten .35 Hình 4.3 Thông số thiết kế anten .36 Hình 4.4 Thơng số thiết kế anten .37 Hình 4.5 Đồ thị tần số cộng hưởng anten 38 Hình 4.6 Hệ số sóng đứng anten thiết kế .38 Hình 4.7 Đồ thị trở kháng vào anten .39 Hình 4.8 đồ thị xạ 3D 39 Hình 4.9 Đồ thị tần số cộng hưởng anten 40 Hình 4.10 Hệ số sóng đứng anten lần lặp thứ 40 Hình 4.11 Trở kháng vào anten lần lặp thứ 41 Hình 4.12 Đồ thị xạ 3D anten 41 Hình 4.13 Đồ thị tần số cộng hưởng anten 42 Hình 4.14 Hệ số sóng đứng anten 42 Hình 4.15 Trở kháng vào anten .43 Hình 4.16 Đồ thị xạ 3D anten anten 43 Hình 4.17 Đồ thị tần số cộng hưởng anten 44 Hình 4.18 Hệ số sóng đứng anten 44 Hình 4.19 Trở kháng vào anten lần lặp thứ 45 Hình 4.20 Đồ thị xạ 3D anten 45 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt HFSS GSM Tiếng Anh Hight Frequency Structure Simulator Tiếng Việt Cấu trúc mô tần số cao Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động Communication toàn cầu Hệ thống điều khiển phân tán DCS Distributed control system PCS Personal Communication System LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn Universal Mobile Hệ thống viễn thơng di động Telecommunications Systems tồn cầu RF Radio Frequency Tần số vô tuyến MSA Microstrip Antenna Anten vi dải UMTS MTA Microstrip Traveling - Wave Antenna Hệ thống thơng tin liên lạc cá nhân Anten sóng chạy vi dải VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng HPBW Half - Power Beamwidth Một nửa băng thông BW Bandwidth Băng thông WLAN Wireless local area network Mạng nội không dây Anten cần thiết kế lặp lặp lại lần cấu trúc hình chữ E Sau lần lặp anten xuất thêm tần số cộng hưởng Trải qua lần lặp đến lần lặp cuối anten cho ta tần số cộng hưởng Anten đặt lớp điện mơi 4.3 Tính tốn thơng số anten Chiều rộng mặt xạ: W= 𝑐 𝜀 +1 2𝑓0 √ 𝑟 = 3∗108 ∗103 2∗0.9∗109 √ 4.4+ = 101.4 (mm) (4.1) Hằng số điện môi hiệu dụng: 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 𝜀𝑟 + + 𝜀𝑟 − ℎ −1⁄ 𝑊 [ + 12 ] = 4.4+ + 4.4− [ + 12 1.66 ] 101.43 −1⁄ = 4.4 (4.2) Độ dài ∆𝐿: ∆L = 0,412h 𝑊 ℎ (𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓+ 0,3)( + 0,264) 𝑊 ℎ (𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓− 0,258)( + 0,8) = 0,412h 101.4 + 0,264) 1.66 101.4 (4.4− 0,258)( + 0,8) 1.66 (4.4+ 0,3)( = 0.77 (mm) (4.3) Chiều dài hiệu dụng: 𝐿𝑒𝑓𝑓 ≈ 𝑐 2𝑓0 √𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 3∗108 ∗103 2∗0.9∗109 √4.4 = 79.5 (mm) (4.4) Chiểu dài mặt xạ: L = Leff - 2∆L = 78 - *0.77 = 78 (mm) (4.5) Kích thước mặt phẳng đất: 𝑊𝑔 ≈ 6h + W = 111,4 mm Lg Lg ≈ 6h + L = 88 mm (4.6) (4.7) Anten thiết kế sử dụng phần mềm thiết kế mô anten HFSS 11.0 bắt đầu lớp đất tiếp ba lớp điện mơi (FR4 Air) Lớp điện mơi thứ FR4 có số điện mơi 𝜀 r = 4.4 có độ dày h = 0.8 mm Lớp điện môi thứ hai không khí với số điện mơi 𝜀 r = có độ dày h = mm Lớp điện mơi thứ ba FR4 với số điện môi 𝜀 r = 4.4 độ dày h = 1.6 mm Nhìn chung anten thiết kế với mặt đất rộng vơ hạn để giảm kích thước mặt đất độ rộng mặt đất nên chọn nhiều sáu lần so với độ dày chất Chiều rộng chiều dài mặt xạ cho 150 mm 126 mm Ở kích thước mặt phẳng đất lấy lớn cm so với kích thước mặt xạ Với yêu cầu thiết kế anten đa băng cấu trúc hình chữ E cho băng tần S LTE cho tiêu chuẩn di động khác thiết kế sử dụng bốn lần lặp ứng với bốn tần số cộng hưởng Ứng với lần lặp ta đặt tên cho anten lần lặp thứ nhất, thứ 2, thứ 3, thứ tương ứng anten 1, anten 2, anten 3, anten [7] 4.3.1 Cấu trúc hình học anten Thiết kế anten phiên bắt đầu cách cắt hai hình chữ nhật hình chữ nhật chính, tạo hình dạng anten fractal hình chữ E Với kích thước cho sẵn [7]: Bảng 4.1 Các thơng số thiết kế anten Kích thước mặt đất Kích thước mặt xạ Kích thước miếng cắt Độ dày3 lớp điện môi Chiều dài L = 91 mm Chiều rộng W = 101 mm Chiều dài Lg = 65 mm Chiều rộng Wg = 75 mm Chiều dài L1 = 30 mm Chiều rộng W1 = 7.5 mm Lớp điện môi (FR4) H1 = 0.8 mm Lớp điện môi (Air) H2 = mm Lớp điện môi (FR4) H3 = 1.6 mm Hình 4.1 Thơng số thiết kế anten 4.3.2 Cấu trúc hình học anten Sự lặp lặp lại thực cách cắt hình chữ nhật nhỏ Ở hình dạng anten thứ hai tạo từ việc lặp thêm lần hình dạng chữ E Tức với anten có nhánh [7] Bảng 4.2 Các thông số thiết kế anten Kích thước mặt đất Chiều dài L = 126 mm Kích thước mặt xạ Kích thước miếng cắt Kích thước miếng cắt Toạ độ lõi tiếp điện Độ dày lớp điện môi Chiều rộng W = 150 mm Chiều dài Lg = 170 mm Chiều rộng Wg = 190 mm Chiều dài L1 = 50 mm Chiều rộng W1 = 15 mm Chiều dài L2 = 25 mm Chiều rộng W2 = mm Toạ độ X 95 Toạ độ Y 42 Lớp điện môi (FR4) H1 = 0.8 mm Lớp điện môi (Air) H2 = mm Lớp điện môi (FR4) H3 = 1.6 mm Hình 4.2 Thơng số thiết kế anten 4.3.3 Cấu trúc hình học anten Tương tự lần lặp thứ ba thu cách cắt hình chữ nhật nhỏ tồn nhánh cấu trúc hình chữ E mà lần lặp thứ có Sau cắt ta thu cấu trúc anten chữ E có 27 nhánh [7] Bảng 4.3 Các thơng số thiết kế anten Kích thước mặt đất Kích thước mặt xạ Kích thước miếng cắt Chiều dài L = 126 mm Chiều rộng W = 150 mm Chiều dài Lg = 170 mm Chiều rộng Wg = 190 mm Chiều dài L1 = 50 mm Kích thước miếng cắt Kích thước miếng cắt Toạ độ lõi tiếp điện Độ dày lớp điện môi Chiều rộng W1 = 15 mm Chiều dài L2 = 25 mm Chiều rộng W2 = mm Chiều dài L3 = 12.25 mm chiều rộng W3 = 0.8 mm Toạ độ X 95 Toạ độ Y 42 Lớp điện môi 1(FR4) H1 = 0.8 mm Lớp điện môi (Air) H2 = mm Lớp điện môi 3(FR4) H3 = 1.6 mm Hình 4.3 Thơng số thiết kế anten 4.3.4 Cấu trúc hình học anten Lặp thứ tạo cách cắt hình chữ nhật nhỏ 27 nhánh có từ lần lặp thứ Kết thu anten có 81 nhánh nhỏ [7] Bảng 4.4 Các thông số thiết kế anten Kích thước mặt đất Kích thước mặt xạ Kích thước miếng cắt Kích thước miếng cắt Kích thước miếng cắt Chiều dài L = 126 mm Chiều rộng W = 150 mm Chiều dài Lg = 170 mm Chiều rộng Wg = 190 mm Chiều dài L1 = 50 mm Chiều rộng W1 = 15 mm Chiều dài L2 = 25 mm Chiều rộng W2 = mm Chiều dài L3= 12.25 mm chiều rộng W3 = 0.8 mm Kích thước miếng cắt Toạ độ lõi tiếp điện Độ dày lớp điện môi Chiều dài L4 = 6.25 mm Chiều rộng W4 = 0.35 mm Toạ độ X 95 Toạ độ Y 42 Lớp điện môi (FR4) H1 = 0.8 mm Lớp điện môi (Air) H2 = mm Lớp điện mơi (FR4) H3 = 1.6 mm Hình 4.4 Thông số thiết kế anten 4.4 Giới thiệu phần mềm HFSS HFSS viết tắt Hight Frequency Structure Simulator HFSS phần mềm mô trường điện từ theo phương pháp tồn sóng (full wave) để mơ hình hóa thiết bị thụ động 3D Ưu điểm bật có giao diện người dùng đồ họa Nó tích hợp mơ phỏng, ảo hóa, mơ hình hóa 3D tự động hóa (tự động tìm lời giải) mơi trường dễ dàng để học, lời giải cho tốn điện từ 3D thu cách nhanh chóng xác Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) kỹ thuật đồ họa Ansoft HFSS sử dụng để tính tốn tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường… 4.5 Kết mô đánh giá kết anten Nghiên cứu tham số mặt xạ đề xuất thực để đạt hiệu suất nhiều băng Những ảnh hưởng lần lặp khác cấu trúc hình chữ E nghiên cứu dựa hiệu suất anten Anten thực việc cắt hình chữ nhật tạo hình dạng chữ E Anten thực việc cắt hai hình chữ nhật nhánh chữ E phiên tạo nên anten lặp hai lần hình chữ E tạo nên nhánh Tương tự việc cắt hình chữ nhật nhánh tạo anten anten Ở anten ta có 27 nhánh, anten có 81 nhánh Ở lần lặp thiết kế phù hợp với băng tần GSM 850/900.Thiết kế lần lặp thứ đáp ứng với băng GSM 850/900 /DCS/PCS/UMTS Kết lần lặp thứ thoả mãn ứng dụng băng tần LTE 230/2500 Thiết kế lần lặp thứ đáp ứng với ứng dụng cho băng tần S mà không cần thay đổi thiết kế lần lặp trước Khi số lần lặp lặp lại tăng, băng tần xuất việc lặp lặp lại trước giống tần số cộng hưởng lần lặp trước không thay đổi, đảm bảo việc thiết kế anten fractal cấu trúc hình E nhiều băng [7] 4.5.1 Kết mô anten Đồ thị tần số cộng hưởng Hình 4.5 Đồ thị tần số cộng hưởng anten Hình 4.5 kết mô tần số cộng hưởng anten Kết mô cho thấy anten có tần số cộng hưởng 0.9 GHz sai số % Có hệ số tổn hao ngược RL = - 20.29 < - 9.5 dB Hệ số sóng đứng VSWR Hình 4.6 Hệ số sóng đứng anten thiết kế Với kết mô đồ thị hệ số sóng đứng SWR anten hình 4.6 cho thấy tần số cộng hưởng anten có hệ số sóng đứng SWR = 1.21 < Đồ thị phối hợp trở kháng Hình 4.7 Đồ thị trở kháng vào anten Hình 4.7 kết mô đồ thị phối hợp trở kháng anten Kết mô cho thấy Trở kháng vào chuẩn hóa anten tần số 0.9 GHz là: 0.884 + 0.144i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (0.884 + 0.144i) = 44.2 + 7.2i (Ω) Đồ thị phương hướng xạ Hình 4.8 đồ thị xạ 3D Hình 4.8 kết mô đồ thị phương hướng xạ anten 1, kết mô cho thấy độ lợi anten 1: G = 4.88 dB Tại tần số 0.9 GHz thong số anten đạt yêu cầu hoạt động, nhiên việc phối hợp trở kháng chưa tốt Ứng với thiết kế anten cho kết phù hợp với ứng dụng hệ thống GSM (Global System for Mobile Communications) viết tắt hệ thống thơng tin di động tồn cầu tiêu chuẩn phát triển Viện tiêu chuần Viễn thông Châu Âu Mô tả giao thức cho hệ thứ hai (2G) mạng di động kỹ thuật số sử dụng cho điện thoại di động GSM mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell), máy điện thoại di động kết nối với mạng cách tìm kiếm cell gần GSM chuẩn phổ biến cho điện thoại di động giới Khả phú sóng rộng khắp nơi chuẩn GSM làm cho trở nên phổ biến giới, cho phép người sử dụng sử dụng điện thoại di động họ nhiều vùng giới Nó xem hệ thống điện thoại di động hệ thứ hai (second generation, 2G) 4.5.2 Kết mô anten Đồ thị tần số cộng hưởng Hình 4.9 Đồ thị tần số cộng hưởng anten Hình 4.9 kết mơ tần số cộng hưởng anten Kết mô cho thấy anten có tần số cộng hưởng là: 0.9 GHz 1.8 GHz Ở tần số 0.9 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = -11.67 < - 9.5 dB, tần số 1.8 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = - 26.18 < - 9.5 dB Hệ số sóng đứng VSWR Hình 4.10 Hệ số sóng đứng anten lần lặp thứ Hình 4.10 kết mơ đồ thị hệ số sóng đứng anten Kết mô cho thấy tần số 0.9 GHz có VSWR = 1.7 < tần số 1.8 GHz có VSWR = 1.1 < Như hai tần số có ≤ VSWR ≤ Đồ thị phối hợp trở kháng Hình 4.11 Trở kháng vào anten lần lặp thứ Hình 4.11 kết mơ đồ thị phối hợp trở kháng anten Kết mô cho thấy trở kháng vào chuẩn hóa anten tần số 0.9 GHz là: 0.99 + 0.53i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (0.99 + 0.53i) = 49.5 + 26.5i (Ω) Trở kháng vào chuẩn hóa anten tần số 1.8 GHz là: 0.91 - 0.023i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (0.91 - 0.023i) = 45.5 – 1.15i (Ω) Đồ thị phương hướng xạ Hình 4.12 Đồ thị xạ 3D anten Hình 4.12 kết mơ đồ thị phương hướng xạ anten 2, kết mô cho thấy độ lợi anten 2: G = 3.88 (dB) Với kết lần lặp thứ hai ứng với ứng dụng GSM từ lần lặp ứng dụng DCS Chuẩn GSM mở rộng nhiều quốc gia lên đến băng tần 1800 MHz Hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed control system) hệ thống điều khiển đề cập đến hệ thống điều khiển thông thường hệ thống sản xuất sử dụng để kiểm soát dây chuyền sản xuất ngành cơng nghiệp Trong yếu tố điều khiển trung tâm vị trí (như não bộ), phân tán toàn hệ thống với thành phần tiểu hệ thống điều khiển nhiều điều khiển Toàn hệ thống điều khiển kết nối mạng lưới giao tiếp giám sát DCS thuật ngữ sử dụng rộng rãi nhiều ngành cơng nghiệp, để giám sát kiểm sốt thiết bị phân tán hệ thống hoạt động tần số 1.8 GHz 4.5.3 Kết mô anten Đồ thị tần số cộng hưởng Hình 4.13 Đồ thị tần số cộng hưởng anten Hình 4.13 kết mô đồ thị tần số cộng hưởng anten Kết mô cho thấy anten có ba tần số cộng hưởng 0.9 GHz, 1.8 GHz, 2.3 GHz Ở tần số 0.9 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = -13.16 < - 9.5 dB, tần số 1.8 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = - 16.96< - 9.5 dB tần số 2.3 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = - 10.9 < - 9.5 dB Hệ số sóng đứng VSWR Hình 4.14 Hệ số sóng đứng anten Kết mô đồ thị hệ số sóng đứng hình 4.14 cho thấy tần số 0.9 GHz có VSWR = 1.56 < 2, tần số 1.8 GHz có VSWR = 1.33 < tần số 2.3 GHz có VSWR = 1.79 < Như ba tần số có ≤ VSWR ≤ Đồ thị phối hợp trở kháng Hình 4.15 Trở kháng vào anten Hình 4.15 kết mơ đồ thị phối hợp trở kháng anten Kết mô cho thấy trở kháng vào chuẩn hóa anten tần số 0.9 GHz là: 1.11 + 0.46i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (1.11 + 0.46i) = 55 + 23i (Ω) Ở tần số 1.8 GHz là: 0.753 - 0.03i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (0.753 + 0.03i) = 37.65 + 1.5i (Ω) Ở tần số 2.3 GHz là: 1.09 + 0.6i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (1.09 + 0.61i) = 54.5+ 30i (Ω) Ở hai tần số 0.9 GHz 2.3 GHz có trở kháng chuẩn hoá gần với trở kháng đường truyền (50 Ω) Ở tần số 1.8 GHz phối hợp trở kháng chưa tốt Đồ thị phương hướng xạ Hình 4.16 Đồ thị xạ 3D anten anten Hình 4.16 kết mơ đồ thị phương hướng xạ anten Kết mô cho thấy độ lợi anten 3: G = 3.99 (dB) Các thong số anten đạt yêu cầu nhiên phối hợp trở kháng chưa tốt Kết mô lần lặp thứ ba phù hợp với ứng dụng hệ thống GSM, DCS từ lần lặp trước có thêm tần số cộng hưởng 2.3 GHz đáp ứng ứng dụng tiêu chuẩn LTE LTE (viết tắt cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa Tiến hóa dài hạn), công nghệ coi công nghệ di động hệ thứ (4G, thực chất LTE coi 3,9G) Tiêu chuẩn LTE ứng dụng cho truyền thông không dây liệu tốc độ cao cho điện thoại di động thiết bị đầu cuối liệu sử dụng chủ yếu cho ứng dụng WiMax 4.5.4 Kết mô anten Đồ thị tần số cộng hưởng Hình 4.17 Đồ thị tần số cộng hưởng anten Hình 4.17 kết mô đồ thị tần số cộng hưởng anten Kết mô cho thấy anten có bốn tần số cộng hưởng 0.9 GHz, 1.8 GHz, 2.3 GHz, 3.4 GHz Ở tần số 0.9 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = -10.16 < - 9.5 dB, tần số 1.8 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = - 15.66 < - 9.5 dB, tần số 2.3 GHz có hệ số tổn hao ngược: RL = - 16.51 < - 9.5 dB tần số 3.2 GHz có hệ số tổn hao ngược RL = 10.91 < - 9.5 dB Thiết kế đạt yêu cầu Hệ số sóng đứng VSWR Hình 4.18 Hệ số sóng đứng anten Với kết mơ đồ thị hệ số sóng đứng anten hình 4.18 cho thấy tần số 0.9 GHz có VSWR = 1.89 < 2, tần số 1.8 GHz có VSWR = 1.39 < 2, tần số 2.3 GHz có VSWR = 1.35 < 2, tần số 3.4 GHz có VSWR = 1.79 < Như bốn tần số có ≤ VSWR ≤ Đồ thị phối hợp trở kháng Hình 4.19 Trở kháng vào anten lần lặp thứ Hình 4.19 kết mô đồ thị phối hợp trở kháng anten Kết mô cho thấy trở kháng vào chuẩn hóa anten tần số 0.9 GHz là: 1.09 + 0.64i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (1.09 + 0.64i) = 54.5 + 23i (Ω) Ở tần số 1.8 GHz là: 0.788 - 0.085i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (0.788 + 0.085i) = 39.4 + 4.25i (Ω) Ở tần số 2.3 GHz là: 1.22 + 0.594i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (1.22 + 0.594i) = 61 + 29.7i (Ω) Ở tần số 3.4 GHz là: 1.92 + 0.19i trở kháng vào anten 𝑍𝐴 = 50 x (1.92 + 0.19i) = 96 + 9.5i (Ω) Trong tần số cộng hưởng Đồ thị phương hướng xạ Hình 4.20 Đồ thị xạ 3D anten Với kết mô đồ thị phương hướng xạ hình 4.20 cho thấy độ lợi anten 4: G = 4.69 (dB) Kết lần lặp thứ phù hợp với ứng dụng GSM, DCS, LTE lần lặp trước xuất thêm ứng dụng chó ứng dụng băng tần S Băng tần S phần băng tần vi ba thuộc phổ điện từ Nó định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE cho sóng vơ tuyến với tần số dải tới GHz, tần số GHz ranh giới UHF SHF Băng tần S sử dụng đài phát thanh, sử dụng thiết kế phổ tần số vô tuyến với mục đích giải trí tư nhân, thử nghiệm khơng dây thơng tin khẩn cấp Băng tần S cịn dùng cho radar thời tiết, radar tàu biển, vệ tinh thông tin, đặc biệt NASA dùng cho liên lạc tàu thoi trạm không gian quốc tế Bảng 4.5 Tổng kết kết thiết kế đạt Tần số Hệ sơ tổn hao ngược Hệ số sóng đứng F(GHz) ZL(dB) VSWR Lặp lần 0.9 -20.29 1.21 Lặp lần 0.9 -20.67 1.27 1.8 -26.18 1.1 0.9 -13.16 1.56 1.8 -16.96 1.33 2.3 -10.9 1.79 0.9 -10.16 1.89 1.8 -15.66 1.39 2.3 -16.51 1.35 3.4 -10.91 1.79 Lặp lần Lặp lần 4.6 Kết luận chương Chương trình bày thơng số thiết kế anten factal hình chữ E Anten sử dụng phần mềm HFSS 11.0 để thiết kế mô Sau lần lặp lặp lại ta thu anten 1, anten 2, anten 3, anten tương ứng Kết mô lần lặp đạt yêu cầu bên cạnh số lần lặp kết cịn chưa tốt so với yêu cầu KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Quá trình thực đồ án giúp cho em hiểu lý thuyết anten, vai trò ứng dụng hệ thống thơng tin viễn thông Em vào thiết kế mơ anten fractal hình chữ E đa tần số ứng dụng cho tiêu chuẩn di động, tiêu chuẩn LTE cho băng tần S Trong thiết kế có số kết chưa tốt trở kháng phối hợp tần số thu chưa tốt so với yêu cầu thiết kế Việc nghiên cứu anten fractal nhằm tối ưu kích thước, chất lượng, tốc độ băng thơng Giảm chi phí cho thiết bị đầu cuối nhờ nhỏ gọn, nhiều băng Anten fractal góp phần đáp ứng yêu cầu ngày cao người dùng, thúc đẩy phát triển mạnh mẽ cho thông tin Viễn thông Mặt khác, đồ án giới thiệu phần mềm mô chuyên dụng HFSS dùng để nghiên cứu, thiết kế, xây dựng sản phẩm trường điện từ nói chung anten nói riêng Phần mềm cho phép phân tích tham số với kết trực quan, từ tạo thuận lợi cho việc chế tạo mạch thực tế Về hướng phát triển đề tài, hiểu biết thời gian nghiên cứu hạn chế nên cồn có số kết mơ chưa cho tốt Hướng phát triển đề tài khảo sát thay đổi lớp điện môi thứ hai để thu kết tốt Khi thiết kế xây dựng hồn thiện nhằm phục vụ nhu cầu người dùng nhu cầu phát triển khoa học kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] A.Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 2006 [3] http://buivanhuy1991.blogspot.com/2013/08/gioi-thieu-ve-hinh-hoc-fractal.html, truy nhập cuối ngày 20/1/2015 [4] Murphy’s Law, Fractal Antennas forWireless Communication Systems, Fraculdade De Engenharia Da Universidade Porto [5] Thái Hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng anten, NBX Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [6] DR Mohamad Kamal A Ramhim, Nurulrodziahbt Abdul Ghafar Ghafar, 2005 [7] A.Janani M.Tech, A.Priya M.E, AP/ECE, Design of E-Shape Fractal Simple Multiband Patch Antenna for S-Band LTE and Various Mobile Standards, Electronics and Communication Engineering B.S.Abdur Rahman University Chennai, India, Vol.3, Issue (May 2013), PP 12-19 ... dụng cho tiêu chuấn di động GSM/DCS tiêu chuẩn LTE băng tần S ABSTRACT In this thesis, a design of a new E- shape fractal antenna for multi frequency application is proposed, using fractal geometry... fractal hình chữ E đa tần s? ?? dụng cho tiêu chuẩn di động khác s? ?? dụng băng tần S chuẩn LTE Thiết kế thực qua lần lặp cấu trúc hình chữ E 4.2 Yêu cầu thiết kế Thiết kế anten fractal hình chữ E, cấp... matches with the result of third iteration is GSM and DCS from the previously iterations and the newly emerged LTE for wireless communication of high speed data for mobile phones and data terminals