Một trong những phương pháp cung cấp sóng đầy đủ phân tích Microstrip Patch Anten là phương pháp moment. Trong phương pháp này các dòng điện mặt dùng để làm mô hình cho Microstrip Patch và những dòng điện phân cực được dùng để mô hình các trường bên trong tấm điện môi. Nó được đưa ra bởi Newman và Tulyathan, nó giải thích làm thế nào một phương trình tích phân được xây dựng từ những dòng điện bất kì theo phương pháp moment. Những phương trình điện trường đầy đủ được biến đổi bên trong phương trình ma trận, phương trình ma trận này có thể được giải thích bằng nhiều phương pháp đại số để cung cấp kết quả.
Tuy nhiên phương pháp phân tích này tính toán rất phức tạp nên ít được sử dụng rộng rãi.
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 3.1 NỘI DUNG
3.1.1 Cơ sở để thiết kế anten
Anten được thiết kế một phần dựa trên mô hình anten short backfire đã được chế tạo và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới (hình 3.1), một phần trên cơ sở cải tiến loại anten dipole vi dải bằng cách thêm chấn tử để tăng độ lợi cũng như độ định hướng. Loại anten dipole vi dải này đã được xây dựng thành công ở niên luận 2 (hình 3.2 và 3.3) nên có thể nói đề tài này là bước phát triển tiếp theo của đề tài đã thiết kế trước đó.
Hình 3.2 Cấu trúc và thông số kĩ thuật của anten dipole mạch dải
Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của anten dipole mạch dải
Trong hình 3.1 ta thấy anten short backfire đang sử dụng hiện nay cấu tạo gồm 2 mặt phản xạ đáy phẳng và một feed dipole đặt ở tâm của mặt phản xạ chính. Hình 3.3 là loại anten dipole được làm hoàn toàn trên mạch in FR4. Kết hợp 2 loại anten này để thiết kế nên loại anten short backfire cải tiến với phần tử feed dipole làm từ đồng sẽ được thay thế bởi feed dipole làm hoàn toàn trên nền mạch in FR4 có thêm chấn tử để đạt độ lợi cũng như đáp ứng đầy đủ đặc tính của một anten short backfire hoạt động tốt ở dải tần 2.44 GHz.
3.1.2 Tính toán các thông số kĩ thuật cho anten
Việc tính toán lí thuyết để đưa ra các thông số kĩ thuật cho anten chỉ mang tính chất ước lượng, mục đích là để làm cơ sở xây dựng nên cấu trúc ban đầu cho anten. Từ các thông số này ta sẽ đưa ra các thông số tối ưu bằng cách mô phỏng trên phần mềm Ansoft HFSS.
Hình 3.4 Cấu trúc ban đầu của anten Các thông số về mặt lí thuyết được tính toán như sau: Tần số hoạt động của anten f0 = 2.44 GHz.
Mạch in FR4 với:
- Hằng số điện môi r= 4.6 - Độ dày mạch in h = 1.6 mm. - Suy hao điện môi 0.022
Ta chọn độ rộng dải dẫn của feed dipole là W = 6 mm. Hằng số điện môi hiệu dụng:
W h r r reff / 10 1 2 1 2 1 = 3.74 10 . 6 / 10 . 6 . 1 . 10 1 2 1 6 . 4 2 1 6 . 4 3 3
Độ dài arm dipole Ld chọn giá trị ban đầu là
4
, vớilà bước sóng được tính theo công thức sau: 64
0 reff f c mm. Trong đó: c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng. Suy ra Ld = 16 mm = Lb + Lh.
Đối với 2 chấn tử thêm vào thì ta chọn chấn tử 1 có độ rộng là 6 mm và độ dài là 2Ld + 48
4
mm và cách arm dipole một khoảng
4 , ta chọn chấn tử 2 có độ rộng 6 mm và độ dài 2Ld = 32 mm, cách chấn tử thứ nhất 4 mm ( 16 ). Đối với mặt phản xạ ta chọn đường kính 4 và vành mặt phản xạ cao
2
. Các thông số kĩ thuật khác ta sẽ chọn giá trị phù hợp sau đó tiến hành mô phỏng để tối ưu lại.
3.1.3 Phương pháp tiếp điện cho anten
Khi thiết kế anten thì phương pháp tiếp điện cần được chọn lựa một cách hợp lí, nó quyết định đến khả năng phối hợp trở kháng giữa anten và feeder. Đối với anten đang thiết kế thì feed dipole làm trên mạch in nên các phương pháp tiếp điện cho loại anten này tương tự như anten vi dải. Và phương pháp được chọn là tiếp điện bằng đường vi dải, đây là phương pháp đơn giản và được thực hiện dễ dàng, đảm bảo tốt việc phối hợp trở kháng.
3.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá anten
Khi thiết kế anten ta phải chú ý đến các thông số như tổn hao phản xạ S11, tỷ số sóng đứng điện áp VSWR, độ lợi và đồ thị bức xạ của anten. Để đánh giá một anten ta phải dựa vào các thông số đó. Cụ thể anten đang thiết kế phải đạt được các yêu cầu sau:
- Tỷ số sóng đứng VSWR < 2 ở dải tần hoạt động. - Tổn hao phản xạ S11 < -10 dB ở dải tần hoạt động.
- Độ lợi Gain > 13 dB.
- Tần số cộng hưởng: 2.44 GHz.
- Đồ thị bức xạ có búp sóng nhọn, định hướng tốt.
3.1.5 Tối ưu các thông số kĩ thuật cho anten
Từ các thông số đã tính toán trước đó, ta dùng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng anten sao cho đạt các tiêu chuẩn đánh giá anten đã đề ra bằng cách thay đổi lần lượt từng thông số. Sau nhiều lần mô phỏng các thông số được tối ưu như sau:
+ Đường kính mặt phản xạ 260 mm. + Chiều cao vành mặt phản xạ 63 mm.
+ Các thông số kĩ thuật của feed dipole như hình 3.5
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Sau khi đưa ra các thông số kĩ thuật tối ưu cho anten, ta tiến hành thiết kế và mô phỏng anten với các thông số đó trên phần mềm Ansoft HFSS.
Hình 3.6 Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS
Các kết quả mô phỏng theo thông số kĩ thuật tối ưu của anten với feed dipole làm trên nền mạch in FR4 có hằng số điện môi 4.6 và độ dày 1.6 mm được thể hiện như sau:
Độ định hướng (Directivity):
Hình 3.7 Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten Độ lợi (Gain):
Hình 3.8 Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten
Độ định hướng cực đại của anten là 14.7 dB, độ lợi cực đại là 13.8 dB. Các kết quả này cơ bản đã đạt yêu cầu đề ra.
Đồ thị bức xạ tính theo dB và mag:
Hình 3.9 Đồ thị bức xạ tính theo dB
Từ đồ thị bức xạ hình 3.9 và 3.10, ta thấy đây là loại anten định hướng tốt với búp sóng phụ rất nhỏ, búp sóng chính rộng khoảng 35 độ.
Return loss (S11):
Hình 3.11 Return Loss tính theo dB
Từ kết quả trên, ta thấy anten cộng hưởng tại tần số 2.44 GHz với Return Loss bằng -32.2 dB. Kết quả này đã đáp ứng tốt yêu cầu đề ra.
Tại tần số cộng hưởng 2.44 GHz, VSWR = 1.05, kết quả này cho thấy việc phối hợp trở kháng cho anten được thực hiện rất tốt.
Qua các kết quả mô phỏng trên, ta thấy hầu hết các kết quả đều đạt yêu cầu đề ra. Anten hoạt động tốt ở dải tần từ 2.4 GHz đến 2.476 GHz, tốt nhất tại tần số 2.44 GHz. Băng thông của anten khoảng 76 MHz rất hẹp so với các loại anten khác, tuy nhiên đây có thể coi là giá trị đặc thù của loại anten định hướng như short backfire.
Sau khi mô phỏng thành công ta tiến hành thiết kế anten thực tế và đo đạt các kết quả. Tuy nhiên kết quả thực tế lại có sự sai lệch so với mô phỏng. Do chưa có đầy đủ thiết bị đo đạc cần thiết nên chỉ có thể thấy được khác biệt như sau:
Độ lợi của anten khi đo đạt là khoảng 14 dB tại tần số 2.24 GHz, khoảng 13 dB tại tần số 2.44 GHz. Điều này cho thấy tần số cộng hưởng của anten khi đo đạt là khoảng 2.24 GHz trong khi mô phỏng giá trị này là 2.44 GHz.
Sự sai lệch này được giải thích là do hằng số điện môi của lớp nền mạch in FR4 không chính xác là 4.6 mà có thể cao hơn. Đối với loại mạch in FR4 được dùng trong đề tài này thì hằng số điện môi thay đổi theo các giá trị tần số khác nhau, không có một giá trị cố định nên không thể đưa ra kết quả đồng nhất giữa mô phỏng và thực tế. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đề tài khi mô phỏng anten với các giá trị hằng số điện môi khác nhau thì thấy rằng: khi hằng số điện môi của lớp nền càng lớn thì tần số cộng hưởng càng nhỏ và ngược lại.
Dưới đây là kết quả S11 được mô phỏng trên cùng một cấu trúc anten với các giá trị khác nhau của hằng số điên môi .
Hình 3.13 Đồ thị S11 khi mô phỏng với hằng số điện môi là 3
Hình 3.15 Đồ thị S11 khi mô phỏng với hằng số điện môi là 4.6
Hình 3.16 Đồ thị S11 khi mô phỏng với hằng số điện môi là 5.4
Để có thể thiết kế anten thực tế đạt tần số cộng hưởng tại 2.44 GHz ta thực hiện theo 2 phương pháp sau:
Phương pháp thứ nhất: Giữ nguyên hằng số điện môi là 4.6 tối ưu lại các kích thước anten sao cho mô phỏng đạt tần số cộng hưởng 2.64 GHz để khi thiết kế thực tế nó dịch xuống 2.44 GHz. Tuy nhiên phương pháp này đã được sinh
viên khóa trước thực hiện và đưa ra kết luận là việc dịch tần số cộng hưởng một cách tuyến tính là không hợp lí, cho kết quả không đạt yêu cầu, vì vậy ta sẽ áp dụng phương pháp thứ hai.
Phương pháp thứ hai: Thay đổi hằng số điện môi FR4 lên giá trị cao hơn sau đó tối ưu lại các kích thước anten sao cho nó cộng hưởng tại tần số 2.44 GHz. Sinh viên năm trước đã thực hiện phương pháp này với giá trị hằng số điện môi là 5 nhưng khi đo đạc thì tần số cộng hưởng vẫn thấp hơn so với mô phỏng, điều này cho thấy mạch in FR4 đang sử dụng có hằng số điện môi cao hơn 5. Để khắc phục nhược điểm trên, trong đề tài này sẽ sử dụng hằng số điện môi bằng 5.4. Các thông số kĩ thuật được tối ưu lại như sau:
+ Mặt phản xạ được giữ nguyên đường kính 260 mm, chiều cao vành mặt phản xạ 63 mm.
+ Thông số kĩ thuật của feed dipole sau khi thay đổi có kích thước như hình 3.17.
Hình 3.17 Thông số kĩ thuật feed dipole khi mô phỏng với hằng số điện môi 5.4 Các kết quả mô phỏng theo phương pháp thứ hai được thể hiện như sau:
Độ định hướng (Directivity):
Hình 3.18 Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten Độ lợi (Gain):
Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern):
Tổn hao phản xạ (S11):
Hình 3.22 Đồ thị thể hiện tổn hao phản xạ của anten Tỉ số sóng đứng VSWR:
Từ các kết quả mô phỏng theo phương pháp thứ hai ta thấy S11 = -34.7 dB, VSWR = 1.04, độ lợi khoảng 13.6 dB, anten có tính định hướng tốt. Các kết quả mô phỏng là rất tốt nên ta tiến hành thiết kế anten thực tế. Tiến hành đo đạc các thông số cho thấy độ lợi của anten xấp xỉ 14 dB gần giống như mô phỏng, anten đã cộng hưởng trong khoảng tần số từ 2.44 đến 2.54 dB. Kết quả này đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
Kết quả mô phỏng với sự thay đổi các thông số kĩ thuật của anten
Trong quá trình mô phỏng để tối ưu anten, hai thông số là hằng số điện môi và độ dày lớp mạch in do nhà sản xuất đưa ra ta không thể thay đổi (đối với hằng số điện môi của lớp mạch in FR4 sử dụng trong đề tài này chỉ lấy giá trị trung bình là 4.6, việc xác định chính xác giá trị của hằng số điện môi chỉ có thể dựa vào kết quả đo đạc thực tế). Khi mô phỏng ta sẽ thay đổi các thông số còn lại để đưa ra một anten tối ưu.
Thay đổi đường kính mặt phản xạ Tăng đường kính mặt phản xạ
Khi tăng đường kính của mặt phản xạ, độ lợi của anten không thay đổi nhiều, hình thành nhiều búp sóng phụ, tổn hao phản xạ và tỉ số sóng đứng cao hơn. Tần số cộng hưởng không đổi. Các kết quả được thể hiện như hình 3.24, 3.25, 3.26, 3.27.
Hình 3.25 Đồ thị bức xạ của anten
Hình 3.27 Đồ thị thể hiện tỉ số sóng đứng của anten
Giảm đường kính mặt phản xạ
Khi giảm đường kính mặt phản xạ, độ lợi sẽ giảm, xuất hiện búp sóng cạnh lớn , S11 và VSWR đều cao hơn. Các kết quả được thể hiện như sau:
Hình 3.29 Đồ thị bức xạ của anten
Hình 3.31 Đồ thị thể hiện tỉ số sóng đứng của anten
Từ các kết quả trên cho thấy đối với anten thuộc loại định hướng như short backfire thì đường kính mặt phản xạ cần phải chọn được thông số hợp lí. Đường kính quá lớn hay quá nhỏ đều ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính của anten, nhất là việc xuất hiện các búp sóng cạnh sẽ làm cho năng lượng truyền đến anten không tập trung theo một hướng nhất định, đây là đều không mong muốn khi thiết kế anten định hướng.
Thay đổi chiều cao vành mặt phản xạ
Việc tăng hoặc giảm chiều cao vành mặt phản xạ không làm thay đổi tần số cộng hưởng. Tỉ số sóng đứng và tổn hao phản xạ không thay đổi nhiều nhưng độ lợi và độ định hướng sẽ thay đổi, xuất hiện các búp sóng cạnh. Để thiết kế được anten định hướng tốt ta phải tối ưu chiều cao vành mặt phản xạ.
Hình 3.32 Đồ thị 3D biểu diễnđộ lợi của anten
Hình 3.34 Đồ thị thể hiện tổn hao phản xạ của anten
Hình 3.35 Đồ thị thể hiện tỉ số sóng đứng của anten
Khi giảm chiều cao vành mặt phản xạ, độ lợi giảm, hình thành búp sóng cạnh lớn, khả năng định hướng của anten giảm.
Tăng chiều cao vành mặt phản xạ
Hình 3.36 Đồ thị 3D biểu diễnđộ lợi của anten
Hình 3.38 Đồ thị thể hiện tổn hao phản xạ của anten
Hình 3.39 Đồ thị thể hiện tỉ số sóng đứng của anten
Khi tăng chiều cao vành mặt phản xạ, độ lợi giảm, búp sóng chính rộng hơn, tỉ số sóng đứng và tổn hao phản xạ thay đổi không đáng kể.
Thay đổi kích thước lớp nền mạch in
Các kết quả mô phỏng khi thay đổi kích thước lớp nền mạch in FR4 được thể hiện như sau:
Hình 3.40 Đồ thị 3D biểu diễnđộ lợi của anten
Hình 3.42 Đồ thị thể hiện tổn hao phản xạ của anten
Hình 3.43 Đồ thị thể hiện tỉ số sóng đứng của anten
Từ các kết quả cho thấy khi thay đổi kích thước của lớp nền mạch in (cụ thể là tăng độ dài chiều dài và chiều rộng) thì độ lợi và khả năng định hướng của anten không thay đổi nhưng tổn hao phản xạ và tỉ số sóng đứng cao. Anten bị mất phối
hợp trở kháng. Vì vậy khi thiết kế ta nên giảm kích thước lớp mạch in đến mức nhỏ nhất để giảm suy hao từ lớp mạch in.