Thiết kế và mô phỏng anten mảng đồ án tốt nghiệp đại học

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẢNG Giảng viên hƣớng dẫn: ThS LÊ THỊ KIỀU NGA Sinh viên thực hiện: TRẦN HẢI XUYẾN Lớp: 50K1 – ĐTVT MSSV: 0951080309 NGHỆ AN – 2014 i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i LỜI NÓI ĐẦU iv TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix CHƢƠNG LÍ THUYẾT ANTEN 1.1 Giới thiệu 1.2 Các tham số anten 1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten .1 1.2.2 Giản đồ xạ 1.2.3 Mật độ công suất xạ 1.2.4 Cường độ công suất xạ .6 1.2.5 Hệ số định hướng 1.2.6 Hệ số tăng ích 1.2.7 Băng thông 1.2.8 Trở kháng vào 1.2.9 Đồ thị phương hướng độ rộng búp sóng .9 1.2.10 Hệ số phản xạ ( ) 10 1.2.11 Hệ số tổn hao (RL) .11 1.2.12 Hệ số sóng đứng (VSWR) .11 1.2.13 Hiệu suất anten 12 1.3 Anten vi dải .12 1.3.1 Giới thiệu chung anten vi dải 12 1.3.2 Định nghĩa anten vi dải .12 1.3.3 Các hình dạng anten vi dải 13 1.3.4 Đặc tính Microstrip Antennas (MSA) .15 ii 1.3.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA (feed method) 16 1.3.5.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải 17 1.3.5.2 Cấp nguồn probe đồng trục .17 1.3.5.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 18 1.3.5.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled 18 1.3.6 Nguyên lý xạ anten vi dải 19 1.3.7 Mô hình đường truyền (Transmission Line) 21 1.3.7.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 22 1.3.7.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng 23 1.3.8 Trường xạ anten vi dải .23 1.3.8.1 Thế vectơ số cơng thức tính trường xạ 24 1.3.8.2 Công suất xạ 25 1.3.8.3 Công suất tiêu tán .26 CHƢƠNG MẢNG ANTEN VI DẢI 27 2.1 Giới thiệu chung mảng .27 2.2 Mảng hai phần tử 28 2.3 Mảng tuyến tính N phần tử, đồng biên độ, đồng khoảng cách .31 2.3.1 Mảng broadside mảng End-Fire 34 2.3.2 Mảng quét [Phased (Scanning) Array] 36 2.4 Mảng tuyến tính N phần tử đặc tính ba chiều 37 2.4.1 N phần tử nằm dọc theo trục z 37 2.4.2 N phần tử nằm dọc theo trục X Y 37 2.5 Mảng tuyến tính N phần tử, biên độ đồng nhất, khoảng cách đồng .38 2.5.1 Hệ số mảng 38 2.5.2 Mảng schebyscheff 40 2.6 Mảng hai chiều 40 2.6.1 Hệ số mảng 40 2.6.2 Độ rộng búp sóng 43 2.6.3 Độ định hướng 44 2.7 Thay đổi đặc tính xạ anten mảng hai chiều .45 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN 47 iii 3.1 Thiết kế mô anten 0.9 Ghz 47 3.1.1 Yêu cầu thiết kế .47 3.1.2 Tính tốn thơng số anten 48 3.1.3 Xác định vị trí tiếp điện cáp đồng trục 48 3.1.4 Mô .48 3.1.4.1 Mơ hình anten vi dải thiết kế chương trình Ansoft HFSS 48 3.1.4.2 Tần số cộng hưởng 49 3.1.4.3 Hệ số sóng đứng VSWR 50 3.1.4.4 Đồ thị Smith .50 3.1.4.5 Đồ thị xạ 3D 51 3.2 Thiết kế mô anten mảng 0.9GHz 51 3.2.1 Thiết kế 51 3.2.2 Kết mô 51 3.2.2.1 Mơ hình mơ anten mảng .51 3.2.2.2 Tần số cộng hưởng 52 3.2.2.3 Hệ số sóng đứng VSWR 53 3.2.2.4 Đồ thị Smith .53 3.2.2.5 Đồ thị xạ 3D 54 3.3 So sánh hai kết mô anten 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 iv LỜI MỞ ĐẦU Thông tin xuất từ lâu, từ lâu người biết dùng lửa, âm kí hiệu tượng hình để liên lạc với Theo trình phát triển xã hội nhu cầu người tỉ lệ thuận với Nhu cầu thơng tin liên lạc tăng lên, địi phù hợp với thực tế nhanh, xác truyền khoảng cách xa khơng thể giữ cách thức liên lạc cha ơng trước khơng đáp ứng hạn chế rủi ro Chính từ nhu cầu mà thơi thúc người phải tìm phương thức truyền thơng tin liên lạc Cho đến năm 1837, Samuel Morse phát minh ám hiệu truyền tin dựa cách thức đóng mở dòng điện phát tiếng Phát minh làm giảm nhiều độ rủi ro thông tin bị hạn chế truyền xa Năm 1894 Maxwell đưa lý thuyết dạng vật chất lan truyền xa chân khơng, sóng điện từ Lúc khắc phục hạn chế khoảng cách truyền Nó kiểm nghiệm Maconi, Ơng thành cơng việc truyền tín hiệu qua Đại Tây Dương sóng vơ tuyến năm 1902 Đây kiện mở kỷ ngun thơng tin liên lạc, móng ứng dụng lĩnh vực viễn thông ngày Anten thiết bị có vai trị to lớn việc truyền thông tin liên lạc, thiết bị dùng để truyền đạt thu nhận tín hiệu Anten xuất từ lâu, có niên đại với thông tin liên lạc Anten phổ biến xuất radio hay ti vi đèn hình sử dụng Lúc anten có cấu tạo đơn giản, anten đơn cực sau dần hệ thống anten sử dụng nhiều phổ biến Đi với phát triển mạnh mẽ công nghệ đầu cuối anten vi dải ngày sử dụng rộng rãi không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu cầu người sử dụng Điểm mạnh anten vi dải so với anten thông thường kích thước nhỏ gọn, linh hoạt tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định đặc biệt phù hợp với công nghệ vi dải sử dụng rộng rãi việc chế tạo mạch in IC chuyên dụng Không thế, anten vi dải phù hợp với cấu trúc anten mảng (array anten) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng v kết hợp với giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành anten thông minh nhiều ứng dụng kỹ thuật cao Đề tài gồm có chương: Chương Anten vi dải Chương Anten mảng vi dải Chương Thiết kế mô anten vi dải 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 đọc để đồ án hoàn thiện Em xin gửi đến cô Lê Thị Kiều Nga lời cảm ơn chân thành lòng biết ơn sâu sắc hướng dẫn nhiệt tình suốt q trình em làm đồ án tốt nghiệp Cô rèn luyện cho em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê vào khoa học kỹ thuật Tất nhừng mang đến hành trang quan trọng cho em tiếp tục đường khoa học kỹ thuật sau Em xin cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông, ặc biệt thầy cô mơn Viễn Thơng hết lịng dạy dỗ truyền đạt kiến thức quý báu trình học để trang bị tảng kiến thức vững để hoàn thành đồ án tốt nghiệp sẵn sàng bước vào tương lai Và cuối em xin gửi lời cảm ơn tới người bạn nhóm đồ án có giúp đỡ Chia sẻ, thảo luận động viên q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp Nghệ An, tháng 01 năm 2014 Sinh viên Trần Hải Xuyến vi TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế mô anten mảng vi dải hoạt động tần số 0.9Ghz Anten chế tạo chất có số điện môi = 4.4, độ dày 1,66mm thiết kế tần số f = 900Mhz Đồ án bao gồm chương với nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu định nghĩa anten, nêu số tham số để đánh giá hiệu suất anten như: giản đồ xạ, công suất xạ, hệ số định hướng, độ lợi, trở kháng vào… Giới thiệu vầ lý thuyết anten vi dải, ưu nhược điểm, ứng dụng anten vi dải Nêu số anten vi dải kỹ thuật cấp nguồn cho anen vi dải Chương 2: Anten mảng vi dải: giới thiệu lý thuyết liên quan đến anten mảng vi dải (mảng phần tử, mảng phần tử, mảng phần tử, mảng 16 phần tử…) Chương 3: Thiết kế mô anten vi dải - Thiết kế mô anten vi dải chương trình mơ Ansoft HFSS - Thiết kế mơ anten mảng chương trình mô Ansoft HFSS ABSTRACT This project focused on studied, design and simulation microstrip antenna array operating at 900MHz frequency Antenna is fabricated on substrates dielectric constant = 4.4, thickness is h =1.66 mm and was designed at the frequency of f = 900MHz Project consists of chapters with the following contents : Chapter 1: Introduction and definition antennas , yet some basic parameters to evaluate the performance of the antenna such as radiation diagram, radiation power , system orientation, gain, input impedance About descriptions and great antenna theory, pros and cons, application of micro strip antennas If a great number of antennas and the basic techniques for anen great power Chapter 2: micro- strip antenna arrays introduced theories involving microstrip antenna array (array element, element array, the array element, 16 element array ) Chapter 3: Design and simulation of antenna range Design and simulation of single strand antenna using Ansoft HFSS simulation program Design and simulation of antenna array simulation program Ansoft HFSS vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Các điểm null, cực đại nửa công suất, cực đại búp sóng phụ cho mảng broadside đồng biên độ [4] 35 Bảng 3.1 Các thông số anten cần thiết kế 47 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Các trường xạ khu xa .2 Hình 1.2 Hệ tọa độ phân tích anten Hình Bức xạ đẳng hướng Hình 1.4 Bức xạ hướng tính Hình 1.5 Các búp sóng khơng gian chiều .4 Hình 1.6 Các búp sóng mặt phẳng chiều Hình 1.7 Cấu hình anten vi dải 13 Hình 1.8 Các dạng anten vi dải thông dụng [3] 13 Hình 1.9 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 17 Hình 1.10 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 18 Hình 1.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 18 Hình 1.12 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled .19 Hình 1.13 Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình chữ nhật 20 Hình 2.1 Bốn dạng hình học anten mảng 28 Hình 2.2 Dạng hình học mảng phần tử đặt dọc theo trục z .29 Hình 2.3 Trường vùng xa sơ đồ pha mảng N phần tử isotropic 31 Hình 2.4 Mảng tuyến tính N phần tử isotropic đặt dọc theo trục x 37 Hình 2.5 Cách bố trí anten phần tử .39 Hình 2.6 Dạng hình học mảng tuyến tính mảng hai chiều 41 Hình 2.7 Các độ rộng búp sóng nửa cơng suất búp sóng 43 Hình 2.8 Sơ đồ khối q trình tác động tín hiệu thơng qua trọng số phức 46 Hình 3.1 Mơ hình anten vi dải thiết kế Ansoft HFSS 49 Hình 3.2 Đồ thị tần số cộng hưởng anten vi dải 49 Hình 3.3 Hệ số sóng đứng anten .50 Hình 3.4 Trở kháng vào anten 50 Hình 3.5 Độ lợi anten 51 Hình 3.6 Mơ hình mảng anten vi dải thiết kế Ansoft HFSS 52 Hình 3.7 Đồ thị tần số cộng hưởng anten mảng vi dải Từ hình 3.7 ta có: 52 Hình 3.8 Hệ số sóng đứng anten .53 Hình 3.9 Trở kháng vào anten 53 Hình 3.10 Độ lợi anten .54 ix DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin liên lạc cá nhân GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu MSA Microstrip Antenna Anten vi dải MTA Microstrip Traveling – Wave Antenna Anten sóng chạy vi dải VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng HPBW Half – Power Beamwidth Một nửa băng thông x Với : =k =k k= Khi khoảng cách phần tử lớn bước sóng λ số búp sóng cực đại có biên độ xuất Trong đó, có cực đại búp sóng chính, minor lobe, mà ta mong muốn, cự khác grating lobe Grating lobe định nghĩa búp sóng khác với búp sóng chính, sinh mảng có khoảng cách phần tử đủ lớn phép trường xạ đồng pha cộng với nhiều hướng Cũng giống nguyên tắc sử dụng cho mảng tuyến tính, để tránh grating lobe xuất ttrong mặt phẳng x-z y-z khoảng cách phần tử mảng hai chiều dọc theo hướng x y phải nhỏ bước sóng λ, nghĩa dx < λ dy anten hoạt động tốt dải tần 3.1.4.3 Hệ số sóng đứng VSWR Hình 3.3 Hệ số sóng đứng anten 3.1.4.4 Đồ thị Smith Hệ số sóng đứng tần số cộng hưởng anten thiết kế SWR = 1.0405 < 1.5, anten thỏa mãn yêu cầu đặt Hình 3.4 Trở kháng vào anten Trở kháng vào chuẩn hóa anten là: 0.9168 – 0.0076i anten = 50 trở kháng vào (0.9168 – 0.0076i) = 45.84 – 0.38i (Ω), gần với trở kháng đường truyền (50 Ω), thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng 50 3.1.4.5 Đồ thị xạ 3D Hình 3.5 Độ lợi anten Hình 3.5 cho thấy độ lợi anten G = 3.2890e + 0.03 nằm khoảng 8, đạt yêu cầu thiết kế 3.2 Thiết kế mô anten mảng 0.9GHz 3.2.1 Thiết kế Ta thấy búp sóng xạ anten vi dải thường tướng đối rộng có độ định hướng, độ lợi thấp Trong nhiều ứng dụng thực tế, người ta cần thiết kế anten có đặc tính định hướng (độ lợi cao) để đáp ứng số yêu cầu việc truyền thông cự ly dài Để làm điều người ta cần tăng kích thước anten Nhưng vào thực tế khơng khả thi, nên thay cách hệ thống nhiều anten, gọi anten mảng Chọn phần tử mảng giống hệt để thuận tiện cho việc phân tích lý thuyết thiết kế - Tính tốn giống patch mục 3.1 - Yêu cầu thiết kế độ lợi lớn so với anten đơn 3.2.2 Kết mô 3.2.2.1 Mô hình mơ anten mảng Ở hình 3.1 mơ hình anten mảng vi dải thiết kế phần mềm Ansoft HFSS 51 Hình 3.6 Mơ hình mảng anten vi dải thiết kế Ansoft HFSS 3.2.2.2 Tần số cộng hƣởng Hình 3.7 Đồ thị tần số cộng hưởng anten mảng vi dải Từ hình 3.7 ta có: Tần số trung tâm 0.9 GHz, khơng có sai số Thiết kế đạt yêu cầu Ở tần số trung tâm, hệ số phản xạ RL = - 31.1499 < - 9.5 dB Thiết kế đạt yêu cầu Băng thông : BW(%) = 100 = 100% = 2,22% Độ rộng băng thông vào khoảng 20Mhz so với 20KHz độ rộng kênh hệ thống GSM -> anten hoạt động tốt dải tần 52 3.2.2.3 Hệ số sóng đứng VSWR Hình 3.8 Hệ số sóng đứng anten Hệ số sóng đứng tần số cộng hưởng anten thiết kế SWR = 1.0570 < 1.5, anten thỏa mãn yêu cầu đặt 3.2.2.4 Đồ thị Smith Hình 3.9 Trở kháng vào anten Trở kháng vào chuẩn hóa anten là: 0.9471 + 0.0105i anten = 50 trở kháng vào (0.9471 – 0.0105i) = 47.355 – 0.525i (Ω), gần với trở kháng đường truyền (50 Ω), thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng 53 3.2.2.5 Đồ thị xạ 3D Hình 3.10 Độ lợi anten Hình 3.10 cho thấy độ lợi anten G = 5.1704e + 0.03 nằm khoảng 8, đạt yêu cầu thiết kế 3.3 So sánh hai kết mô anten - Từ kết mơ hình 3.2 hình 3.7 cho ta thấy hệ số suy hao anten đơn -24,9537 mảng gồm bốn anten -31,1499 Do hệ số suy hao anten mảng nhỏ nhiều so với anten đơn - Từ kết mơ hình 3.5 hình 3.10 cho ta thấy độ lợi anten đơn 3.2890 anten 5.1704 Do độ lợi anten mảng cao nhiều so với anten đơn Vậy từ hai kết mô cho ta thấy dùng anten mảng ghép nối từ nhiều anten đơn lại với có cơng suất xạ lớn so với anten đơn lẻ, mà hiệu suất xạ cao 54 KẾT LUẬN Qua đồ án em thiết kế mô phỏng, nghiên cứu tham số anten nguyên lý hoạt động anten vi dải biết anten vi dải ứng dụng rộng rãi khoa học kỹ thuật Trong trình thiết kế anten, kỹ thuật đo lường tham số anten đóng vai trị quan trọng Việc đo thơng số giúp ích cho người thiết kế biết chất lượng đặc tính anten Và qua việc thiết kế anten vi dải em thiết kế anten mảng có cơng suất lớn hay độ lợi lớn anten đơn Một lần em xin chân thành cảm ơn cô giáo Lê Thị Kiều Nga hướng dẫn cụ thể chi tiết cho em trình thực đề tài Cảm ơn tất ý kiến đóng góp thầy bạn 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] Thái Hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng anten, NBX Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [3] DR Mohamad Kamal A Ramhim, Nurulrodziahbt Abdul Ghafar Ghafar, 2005 [4] A.Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 2006 [5] Thomas A.Milligan, Modern Antenna Design, 2004 [6] Richarcd C.Johnson, Antenna Engineering Handbook, 2005 56 ... đến anten mảng vi dải (mảng phần tử, mảng phần tử, mảng phần tử, mảng 16 phần tử…) Chương 3: Thiết kế mô anten vi dải - Thiết kế mô anten vi dải chương trình mơ Ansoft HFSS - Thiết kế mô anten mảng. .. hồn thành đồ án tốt nghiệp Nghệ An, tháng 01 năm 2014 Sinh viên Trần Hải Xuyến vi TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế mô anten mảng vi dải hoạt động tần số 0.9Ghz Anten chế... tính xạ anten mảng hai chiều .45 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN 47 iii 3.1 Thiết kế mô anten 0.9 Ghz 47 3.1.1 Yêu cầu thiết kế .47 3.1.2 Tính tốn thơng số anten