- Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác
2.
5.3. Kích thước anten được thiết kế
Một anten MS – LPDA được thiết kế theo các bước trên ứng với tầm tần số 2 – 8Ghz với hằng số điện môi ε = 2.3, độ dày lớp điện môi t = 0.98 mm.
Tần số hoạt động (Ghz) 2 - 8
Hằng số điện môi hiệu dụng εeff 1.96
Độ dày điện môi (mm) 0.98
Chu kỳ kết cấu τ 0.9
Hệ số không gian σ 0.15
Góc mở α (0) 10
Số phần tử 16
Chiều dài hệ thống L (mm) 172
Chiều dài từ điểm cấp nguồn đến phần tử ngắn nhất 8
Chiều rộng đường cấp nguồn (mm) 4
Chiều dài phần tử dài nhất (mm) 53.5
Chiều rộng phần tử dài nhất(mm) 6
Bảng 5.3.1 Các thông số anten được thiết kế
6 31.59 3.54 10.53 7 28.43 3.19 9.48 8 25.59 2.87 8.53 9 23.03 2.58 7.68 10 20.73 2.32 6.91 11 18.65 2.09 6.22 12 16.79 1.88 5.6 13 15.1 1.69 5.04 14 13.6 1.53 4.53 15 12.24 1.37 4.08 16 11.02 1.24 3.67
Bảng 5.3.2. Kích thước các phần tử của anten (đơn vị mm)
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Hình 5.4.1. Hình dáng anten mô phỏng với hệ trục tọa độ
Hệ số phản xạ
Hình 5.4.2. Hệ số S11 và SWR
Hình 5.4.3. Đồ thị Smith
Trong dải tần làm việc thì hệ số phản xạ S11 bé hơn -10dB tương ứng SWR bé hơn 2. Khắc khe hơn băng thông làm việc trong điều kiện SWR< 1.5 vẫn thỏa mãn.
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Đặc tính bức xạ
Tại tần số 2.4Ghz
Hình 5.4.4. Bức xạ của trường điện trong măt phẳng Oxy và Oyz
Các thông số mô phỏng được
Hình 5.4.5. Bức xạ của trường điện trong tại tần số 5Ghz
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Hình 5.4.6. Đồ thị bức xạ 3D tại 5Ghz
Tại tần số 7 Ghz
Hình 5.4.7. Bức xạ của trường điện trong tại tần số 7Ghz
Độ lợi anten :
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Độ lợi toàn băng thông đạt trên 7dBi, trong khi cực đại đạt gần 9.5 dBi và độ lợi trung bình đạt trên 8.5dBi. Anten có độ lợi khá tốt khoảng băng thông thiết kế.
Hiệu suất bức xạ
Hình 5.4.9. Hiệu suất bức xạ và hiệu suất anten Nhận xét
Anten thiết kế thỏa mãn băng thông yêu cầu từ 2.2 đến 8Ghz (S11 < -10dB). Độ lợi anten khá cao, cực đại đạt gần 9.5 dBi.
Hiệu suất anten và hiệu suất bức xạ trung bình khoảng 70%.
Hướng bức xạ cực đại phù hợp kết quả lý thuyết, bức xạ về hướng phần tử ngắn nhất và ít thay đổi trong toàn băng (( 700,900) đến (800,900) trong nửa mặt phẳng z >0).
Độ rộng nửa công suất dao động từ 350 đến 550.
Tỉ số trước sau FBR (front – back ratio) trong mặt phẳng x-y khoảng trên 20dB còn trong mặt phẳng y-z trên 30dB.
VSWR < 2 hay S11 < -10dB. Đối với những ứng dụng khắc khe, người ta yêu cầu VSWR < 1.5. Các thông số trên được đo đạc trên máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 có tầm đo đến 8Ghz. Do điều kiện máy đo và không tìm được board cao tần với εr=2.3 nên anten được thi công trên PCB FR-4 với εr=4.6. Các kích thước được tính toán lại, khoảng băng thông thiết kế từ 2-8Ghz.
Tần số hoạt động (Ghz) 2 - 8
Hằng số điện môi hiệu dụng εeff 3.65
Độ dày điện môi (mm) 0.98
Chu kỳ kết cấu τ 0.9
Hệ số không gian σ 0.15
Góc mở α (0) 10
Số phần tử 16
Chiều dài hệ thống L (mm) 110
Chiều dài từ điểm cấp nguồn đến phần tử ngắn nhất 5.5
Chiều rộng đường cấp nguồn (mm) 2.5
Chiều dài phần tử dài nhất (mm) 36.3
Chiều rộng phần tử lmax (mm) 3.8
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN N Ln Wn Dn,n-1 1 33.8 3.8 2 30.42 3.42 10.14 3 27.38 3.08 9.13 4 24.64 2.77 8.21 5 22.18 2.49 7.39 6 19.96 2.24 6.65 7 17.96 2.02 5.99 8 16.17 1.82 5.39 9 14.55 1.64 4.85 10 13.09 1.47 4.36 11 11.78 1.32 3.93 12 10.61 1.19 3.54 13 9.55 1.07 3.18 14 8.59 0.97 2.86 15 7.73 0.87 2.58 16 6.96 0.78 2.32
Bảng 5.1.2. Kích thước các phần tử của anten (mm)
Nhận xét : Theo lý thuyết khi hằng số điện môi thay đổi thì các kích thước của anten
sẽ nhân đại lượng 1
2
eff eff
ε
ε , khi đó các đặc tính trở kháng vào, đặc tính bức xạ không thay
đổi đáng kể. Như vậy khi anten giảm kích thước đi khoảng 1.36 lần thì không thay đổi nhiều trở kháng vào. Thực tế anten mới được giảm kích thước 1.6 lần, vì thế tần số cộng hưởng nhỏ nhất sẽ tăng (dịch chuyển về phía phải) và độ lợi giảm vì hằng số điện môi tăng.
Trở kháng vào anten mô phỏng:
Hình 5.1.1 Hệ số S11 anten thiết kế
Hình 5.1.2. Độ lợi anten thiết kế
Tần số cắt trái tại -10dB đã tăng lên (2.79Ghz), hoàn toàn phù hợp kết quả lý thuyết và độ lợi giảm, trung bình khoảng gần 6dBi.
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
6.2. Các kết quả đo đạc
Hình 5.2.1 Anten được thiết kế
Các kết quả đo đạc:
Hình 5.2.2. Hệ số phản xạ ngõ vào (do Port 2 nên đo S22)
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Hình 5.2.4. Đồ thị Smith
Nhận xét : Băng thông anten đo đạc thỏa tiêu chuẩn siêu băng rộng, băng thông đạt 7.61 – 2.81 = 4.8Ghz trong điều kiện SWR < 2. Khắc khe hơn với hệ số sóng đứng nhỏ hơn 1.5 thì băng thông đạt tiêu chuẩn trong khoảng 4.9Ghz – 7Ghz. Kết quả đo đạc có thể chấp nhận được phù hợp lý thuyết. Kết quả thực nghiệm khó có thể đạt như lý thuyết do quá trình thi công không đảm bảo chất lượng của bo mạch cũng như sai số kích thước và ngay cả quá trình hàn connector cấp nguồn vào anten.
Thiết kế, mô phỏng anten MS- LPDA dựa trên phần mềm IE3D.
Thi công và đo đạc anten thực tế dựa trên điều kiện và thiết bị sẵn có.
Đưa ra anten thực thỏa mãn các yêu cầu băng rộng và phối hợp trở kháng khá tốt đáp ứng tiêu chuẩn UWB.
Đúc kết được một số kinh nghiệm khi thi công và đo đạc anten thực tế.
7.2. Hướng phát triển đề tài
Hiện nay, hệ thống UWB đã có những ứng dụng đa dạng trong quân sự và dân sự. Do nhu cầu thông tin liên lạc của con người tăng lên, tốc độ dữ liệu từ đó cũng sẽ yêu cầu phải tăng theo. Vì thế việc nghiên cứu và phát triển các anten trong công nghệ này cũng phát triển theo. Hướng phát triển tương lai của đề tài sẽ tập trung vào:
Đưa ra các mô hình anten nhỏ gọn hơn để có thể tích hợp vào các thiết bị cá nhân.
Mở rộng băng thông cũng như tăng độ lợi để không chỉ đáp ứng cho UWB mà còn cho các ứng dụng ở siêu cao tần.
Áp dụng các giải thuật tối ưu như giải thuật di truyền ( genetic algorithm) vào việc thiết kế để cải thiện chất lượng anten như băng rộng hơn hay độ lợi cao hơn.
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Richard C. Johnson,(1993), Antenna Engineering Handbook , McGraw Hill 3ed. [2] Leonard E. Miller, Why UWB? A Review of Ultrawideband Technology, Report to
NETEX Project Office, DARPA, April 2003.
[3] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư, (2005), Truyền sóng và Anten, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM.
[4] Dimitris E. Anagnostou, John Papapolymerou, Manos M. Tentzeris and Christos G. Christodoulou, A printed Log-Periodic Koch-Dipole Array (LPKDA), IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.7,2008.
[5] M. Pirai and H. R. Hassani, Size reduction of microstrip LPDA antenna with top loading, IEICE Electronics Express, Vol.6, No.21, 1528-1534, 2009.
[6] Phan Anh (2007), Lý thuyết và kỹ thuật anten, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [7] Daegeun Kim, Qiang Chen, Kunio Sawaya, Microstrip Log-periodic Dipole
Array Antenna, Proceedings of Isap2000, Fukuoka, Japan.
[8] Vũ Đình Thành, (2003), Lý thuyết cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM.
[9] Vũ Đình Thành, (2006), Mạch siêu cao tần, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM. [10] IE3D™ is a trademark of Zeland Software Inc., 2008.