Về mẫu anten: Lựu chọn mẫu anten hình chữ nhật với kiểu tiếp sóng bằng đƣờng truyền mạch dải 50Ω, độ dài cỡ ½ bƣớc sóng của tần số cộng hƣởng chính. Đây là dạng thiết kế không quá phức tạp và dễ dàng trong khâu gia công chế tạo mẫu.
Kích thƣớc anten hình chũ nhật đƣợc đề xuất tham khảo từ các công thức tính (phần mềm).
4.3. Thiết kế và mô phỏng 4.3.1. Thiết kế anten 4.3.1. Thiết kế anten
a) Cấu trúc đề xuất anten ban đầu
a) Cấu trúc mặt phát xạ b) Cấu trúc mặt phẳng đất
c) độ dày tấm vật liệu
Hình 4.1. Cấu trúc anten đề xuất ban đầu
b) Kích thƣớc đề xuất ban đầu
Lp 30 mm Lg = Lf 30 mm Wp 33 mm Wg = Wa 44 mm La 66 mm Lr 3 mm Wa 44 mm Wr 34 mm Lf 32 mm h 1,6 mm Wf 3 mm ɛ 4,4 Lp Wp Lf Wr Wg = Wa La Wf Lr Lg = Lf h Wa La
Bảng 4.3. Kích thước anten đề xuất ban đầu
Kích thƣớc hình chữ nhật Lp và Wp đƣợc lấy tham khảo từ cách tính toán theo lý thuyết về anten mạch dải.
Theo lý thuyết tính toán về đƣờng truyền mạch dải: Với vật liệu Fr4 ( ɛ = 4,4; h = 1,6 mm), ở tần số 2GHz, đƣờng truyền mạch dải 50 Ohm có độ rộng Wf = 3 mm.
4.3.2. Kết quả mô phỏng
Hệ số sóng phản xạ/sóng tới tại công anten S11
Hình 4.2. Tỉ số S11 của cấu trúc anten đề xuất ban đầu
Ta thấy, anten có dải hoạt động với S11 , -10 dB từ 1,86 GHz đến 2,14 GHz. Tỉ số S11 đạt tốt nhất tại 2GHz với giá trị cỡ - 17dB.
4.3.3. Tối ƣu cấu trúc anten
Cấu trúc anten ban đầu đƣợc tiếp tục tối ƣu nhằm điều chỉnh dải tần cộng hƣởng về đúng dải tần theo yêu cầu của công nghệ 3G/4G tại Việt Nam. Đồng thời tối ƣu về mặt kích thƣớc mà vẫn đảm bảo yêu cầu đặt ra dải tần số hoạt động. Quá trình tối ƣu trong đề tài đƣợc thực hiện trên ba yếu tố:
1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 Freq [GHz] -17.50 -15.00 -12.50 -10.00 -7.50 -5.00 -2.50 d B(S (w a ve _ p o rt ,w a ve _ p o rt )) HFSSDesign1 XY Plot 1 ANSOFT MY 1 : -1 0 .0 9 4 6 m1 m2 Curve Info dB(S(w ave_port,w ave_port)) Setup2 : Sw eep Name X Y m1 1.8690 -10.0783 m2 2.1480 -9.9396
Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y) d( m1,m2) 0.2790 0.1387 0.4970 2.0121
- Thay đổi kiểu tiếp điện giữa đƣờng mạch dải vào mặt phát xạ.
Hình 4.3. Thay đổi cấu trúc tiếp xúc giữa anten hình chữ nhật và đường dẫn sóng mạch dải từ (a) sang (b)
- Đối với mặt phát xạ hình chữ nhật sử dụng kỹ thuật cắt góc, tạo khe trên mặt phát xạ.
Hình 4.4. Cấu trúc mặt phát xạ hình chữ nhật đề xuất tối ưu
Ở đây sử dụng tính chất đối xứng, ta có: L6 = L2 W2 = W6 L7 = L3 W3 = W7 L4 = L5 W4 = W5
- Đối nhánh cộng hƣởng ( Kích thƣớc Wr và Lr) đƣợc nghiên cứu thay đổi để điều chỉnh các dải tần cộng hƣởng.
Nhƣ vậy, ta có cấu trúc mặt phát xạ và đƣờng dẫn mạch dải mới nhƣ sau:
Hình 4.5. Cấu trúc anten sau khi tối ưu
Các tham số sau khi tối ƣu nhƣ sau:
Lp 15 mm L1 5 mm Wp 23 mm W1 1 mm La 41 mm L2 = L6 2 mm Wa 34 mm W2 = W6 3 mm Lf 23 mm L3 = L7 3 mm Wf 3 mm W3 = W7 2 mm Lg = Lf 23 mm L4 = L5 3 mm Wg = Wa 34 mm W4 = W5 1 mm Lr 5 mm Wr 30 mm
Các kết quả mô phỏng:
- Tỉ số S11:
Hình 4.6. Tỉ số S11 của anten sau khi tối ưu
1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 Freq [GHz] -22.50 -20.00 -17.50 -15.00 -12.50 -10.00 -7.50 -5.00 -2.50 0.00 d B(S (w a ve _ p o rt ,w a ve _ p o rt )) HFSSDesign1 XY Plot 1 ANSOFT MY 1 : -1 0 .0 3 6 0 m7 m5 Curve Info dB(S(w ave_port,w ave_port)) Setup2 : Sw eep Name X Y m5 2.3070 -9.8983 m7 2.7890 -9.9328
- Dản đồ hướng tính anten:
Hình 4.7. Hướng tính của anten (3D)
Hình 4.8. Dản đồ bức xạ của anten tại tần số 2,6GHz;
góc phi = 90o và = 180o
Nhận xét:
Cấu trúc anten sau khi đƣợc tối ƣu đã đạt đƣợc yêu cầu về dải tần số hoạt động phù hợp với dải tần 4G băng 2,6GHz tại Việt Nam hiện nay.
1.20 2.40 3.60 4.80 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 HFSSDesign1
Radiation Pattern 3 ANSOFT
Curve Info rETotal Setup2 : LastAdaptive Freq='2.6GHz' Phi='90deg' rETotal Setup2 : LastAdaptive Freq='2.6GHz' Phi='180deg'
Với S11 < -10dB, dải tần hoạt động của anten từ: 2,3 - 2,78 GHz ( Băng thông khoảng 450MHz)
4.4. Thiết kế chế tạo anten
Anten thực tế đƣợc chế tạo:
Hình 4.9: Anten thực tế
4.5 Đo đạc các tham số của antenna
Ta sử dụng máy phân tích mạng để đo các tham số: Kết quả đo thực tế:
Hình 4.10: Kết quả đo kiểm thực tế
Qua kết quả đo đạc, ta thấy hình dạng của đồ thị tƣơng quan và khớp với kết quả mô phỏng. Sự sai khác nhỏ về kết quả đo có thể do một số nguyên nhân sau:
- Vật liệu đƣợc sử dụng để chế tạo anten chƣa phải là vật liệu tốt (hằng số điện môi, độ dày vật liệu có thể không chính xác).
- Quá trình làm mạch thủ công, do đó có thể có sai số về kích thƣớc, dẫn đến sai lệch về kết quả đạt đƣợc so với mô phỏng.
- Sai số do thao tác với thiết bị đo, phụ kiện đo (connector, cáp nối…) ảnh hƣởng trở kháng đầu vào.
KẾT LUẬN 1. Về mặt lý thuyết
Luận văn đã nghiên cứu lý thuyết cơ bản về anten nói chung và anten mạch dải nói riêng. Luận văn tập chung vào một số vấn đề là nghiên cứu thiết kế anten vi dải với cấu trúc tiếp điện đồng phẳng.
Luận văn nghiên cứu sơ lƣợc và chỉ ra xu hƣớng sử dụng băng tần cho thông tin di động chung hiện nay, băng tần quy hoạch cho thông tin di động thế hệ mới 4G tại Việt Nam.
2. Về mặt thực hành
Luận văn đã áp dụng các nghiên cứu lý thuyết về anten mạch vi dải để thiết kế anten có dải tần phù hợp với băng tần đang đƣợc quy hoạch, dự kiến đấu giá cho 4G tại Việt Nam trong thời gian tới (băng tần 2.6GHz). Kết quả mô phỏng tƣơng đối tốt với tần số trung tâm 2,6GHz, băng thông 480 MHz (S11 = -10dB).
Luận văn đã thiết kế chế tạo mẫu anten đo đạc thử nghiệm trên vật liệu phổ biến Fr4. Kết quả cho thấy, anten kích thƣớc nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo, kết quả đo đạc S11 tƣơng đối giống với kết quả mô phỏng.
3. Hƣớng phát triển tiếp theo
Tiếp theo các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc, tác giả đề xuất hƣớng phát triển tiếp theo của Luận văn là:
- Tối ƣu hóa kích thƣớc của anten.
- Tăng băng thông của anten.
- Thiết kế mẫu aten có thể hoạt động đƣợc ở nhiều băng tần 700MHz, 900MHz, 1800MHz, 2100MHz, 2300MHz, 2600MHz.
- Sử dụng các thiết bị chuyên dụng để chế tạo đƣợc anten có các thông số kích thƣớc đúng so với kích thƣớc thiết kế trên HFSS.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] GS. TSKH. Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật Anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
[2] GS. TSKH. Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật siêu cao tần, Tài liệu giảng dạy tại trƣờng ĐH Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội
Tiếng Anh
[3] Brian C. Wadell, Transmission Line Design Handbook.
[4] Constantine A. Balanis,Antenna Theory –Analysis and Design, John Willey & Son, INC, Third Edition