3.1.1. Thông số đầu vào
Yêu cầu thiết kế anten cao tần có độ lợi cao hoạt động ở tần số trung tâm xác định trước, cụ thể:
+ Độ lợi Anten: D = 21 dB;
+ Tần số hoạt động trung tâm: f0 = 2.35 GHz. 3.1.2 Lựa chọn mô hình thiết kế
Trên cơ sở phân tích cấu tạo mẫu anten có cấu trúc đặc biệt EBG và nguyên lí hoạt động của nó như đã trình bày ở chương 2, các thông số lựa chọn cho việc thiết kế, mô phỏng được kể ra như trong bảng 3.1: tổng hợp thông số lựa chọn thiết kế.
Bảng 3-1: Thông số lựa chọn thiết kế
TT Tên loại Kí
hiệu
Thông số
1. Mặt bán phản xạ 1 PRS1 PEC 2. Mặt bán phản xạ 2 PRS2 EBG
Kích thước hai chiều: Ww, Lw
Tạo bởi thanh kim loại tròn đường kính a, cách đều nhau Pt. 3. Chiều cao hộp cộng hưởng D Chiều cao: D (mm). 4. Dipole Dp Kích thước: Ld, rd Đặt cách mặt phẳng PEC một khoảng D1 5. Nguồn bức xạ V Điện áp: V Tần số: f1-fn
3.2. Quy trình thiết kế
3.2.1 Thiết kế bề mặt bán phản xạ:
Từ đồ thị 2-19 thể hiện quan hệ hệ số phản xạ và hệ số định hướng ở chương 2, ta thấy để anten có độ lợi 21dB thì hệ số phản xạ của bề mặt bán phản xạ phải xấp xỉ |r|=0.92 ở tần số f0.
|r|=0.92 |r|=0.92
Hình 3-2: Đồ thị bức xạ-hệ số phản xạ của anten EBG
Trên cơ sở đó, từ đồ thị 2-12 ta xác định được module và phase của mặt bán phản xạ như hình 3-3.
F=2.35GHz 0.92
F=2.35GHz 0.92
Hình 3-3: Module và phase của mặt bán phản xạ EBG cấu trúc dạng trụ, đường kính a đặt cách đều nhau Pt
3.2.2 Các thông số thiết kế về kích thƣớc của hộp cộng hƣởng
- Các thông số kích thước hộp cộng hưởng: gồm 3 kích thước WW, LW, D. Từ đặc tính phản xạ của bề mặt bán phản xạ chúng ta có thể tính được chiều cao của hộp cộng hưởng hay là độ dày của anten D:
Từ biểu thức 2.14 hoặc đồ thị hình 2-15, ta suy ra: D = 60 mm.
Kích thước của hộp cộng hưởng được ước lượng đủ lớn để không ảnh hưởng đến hoạt động của anten. Đối với độ lợi 21dB, ta chọn kích thước hộp cộng hưởng là:
Ww = Lw= 7* = 900mm (3.1)
Biểu thức 3.1 được chọn sau khi tiến hành thực nghiệm mô phỏng nhiều lần. Điều này có thể được lí giải như là yêu cầu về kích thước bề mặt bán phản xạ nhằm giảm hiệu ứng biên giới hạn của hộp cộng hưởng.
- Anten nguồn: anten kích thích là dipole với kích thước chiều dài được chọn Ld= 58mm và đường kính rd= 0,06mm.
Việc lựa chọn kích thước của dipole cũng được thực hiện nhiều lần trên cơ sở chiều dài bước sóng, chẳng hạn như (/2) của tần số f0=2.35GHz, tương ứng bằng 64mm…., nhằm đạt được các thông số đặc biệt là độ lợi và phối hợp trở kháng tốt nhất. Hình 3-4 dưới đây minh họa cấu trúc của anten để thực hiện quá trình mô phỏng.
Hình 3-4: Cấu trúc anten EBG
Để mô phỏng toàn bộ thiết kế, tính toán các thông số của anten, đề tài đã sử dụng phần mềm 4NEC2. Lw=900mm Ww=900mm PRS1: PEC PRS2: EBG (a=2mm; Pt=30 mm) D=60mm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3. Mô phỏng dựa trên phần mềm 4NEC2 3.3.1 Giới thiệu phần mềm 4NEC2 3.3.1 Giới thiệu phần mềm 4NEC2
NEC (Numerical Electromagnetics Code) là phần mềm mô phỏng dùng để nghiên cứu, tính toán và thiết kế Anten được phát triển bởi phòng thí nghiệm Lawrence Livermore (Hoa Kỳ). Phần mềm được sử dụng rộng rãi hiện nay (phiên bản 4NEC2) là phiên bản nâng cao của phần mềm AMP (Antenna Modeling Program) được viết từ những năm 1970 cho hải quân Hoa Kỳ, được phát triển bởi hai thành viên G. J. Burke và A. J. Poggio (Lawrence Livermore laboratory). NEC là một phần mềm hoàn toàn miễn phí, giao diện phần mềm như hình 3-5.
Hình 3-5: Giao diện phần mềm NEC
Phần lõi của NEC sử dụng phương pháp moment để tính toán. Về cơ bản phương pháp này dựa trên việc chia nhỏ thành từng phần (segments) của cấu trúc mô phỏng ra để tính toán các đặc tính như dòng điện, hiệu điện thế trên các segments đó…rồi sau đó tổng hợp lại để cho kết quả toàn cục của toàn bộ cấu trúc ban đầu. Phương pháp này nếu được sử dụng một cách hợp lý (theo một số nguyên tắc căn bản tùy thuộc vào từng cấu trúc) cho kết quả rất chính xác. Do dựa trên phương pháp moment, NEC rất thích hợp cho việc mô phỏng các anten dạng dây (wire Antenna). [21-23]
Hình 3-6: Một vài kiểu anten dây và chia nhỏ thành các segment Cấu trúc cơ bản trên NEC bao gồm 2 loại là cấu trúc dây (wire) để mô phỏng anten dạng dây và cấu trúc patch để mô phỏng anten dạng bề mặt. Do vậy, để có thể mô phỏng được bằng NEC thì anten đều phải được mô hình hóa bởi 2 loại cấu trúc cơ bản trên.
Để kết quả mô phỏng được chính xác, phần quan trọng là xác định chính xác số lượng các segment. Số lượng segment càng lớn thì kết quả mô phỏng càng chính xác, tuy nhiên lượng segment cũng không nên quá nhiều vì có thể sẽ làm nặng quá trình mô phỏng rất nhanh và đôi khi dẫn đến sai số trong tính toán.
Trong NEC sử dụng hai kiểu kích thích để nghiên cứu cấu trúc: + Kích thích bằng một nguồn điện thế trên cấu trúc;
+ Kích thích bằng một nguồn phát sóng phẳng phân cực tuyến tính hoặc phân cực elip.
Kết quả mô phỏng có thể bao gồm dòng điện, hiệu điện thế trên từng phần của cấu trúc, trường điện hoặc từ trường ở gần (near field) hoặc xa (far field)
cấu trúc.
Một số nguyên tắc cơ bản cho việc mô phỏng cấu trúc dây được tổng kết như sau: [22]
+ Chiều dài của một segment (delta) nên phải nhỏ hơn 0.1 ở tần số mô phỏng. Ở một số vị trí nhạy cảm về điện trên cấu trúc, delta nên nhỏ hơn 0.05.
Delta cũng không nên được lấy quá nhỏ so với (<10-3 ) vì như vậy có thể dẫn đến kết quả mô phỏng thiếu chính xác.
+ Bán kính của một segment (a) cũng nên được lựa chọn sao cho 2**a/
<<1 và Delta/a >2.
+ Các segment trên một cấu trúc mô phỏng không được để trùng nhau (overlap).
+ Các segment với các bán kính khác nhau nhiều không nên để tiếp xúc kế tiếp nhau. Nên chia làm nhiều segment nhỏ hơn với các bán kính thay đổi một cách từ từ.
+ Mỗi nguồn kích thích đều phải được gắn với một segment.
+ Số lượng tối đa các segment có thể nối đến một điểm là 30 segment.
3.3.2 Thiết kế anten trên 4NEC2
Để mô phỏng chính xác trên 4NEC2 chúng ta cần phải tuân theo những thiết lập của phần mềm để thực hiện quá trình mô phỏng.
Trên cơ sở tính toán lí thuyết ta tổng hợp được các thông số thiết kế mô phỏng như bảng 3.2.
Bảng 3.2: Bảng thông số thiết kế mô phỏng anten EBG
TT Tên loại Kí hiệu Thông số
1. Mặt bán phản xạ 1 PRS1 PEC 2. Mặt bán phản xạ 2 PRS2 EBG
Ww = Lw = 900mm
Tạo bởi: a=2mm; Pt=30mm 3. Chiều cao hộp cộng hưởng D D = 60mm. 4. Dipole Dp Kích thước: Ld=58mm, rd=0.06mm. Đặt cách mặt phẳng PEC một khoảng D1
5. Nguồn bức xạ V Điện áp: 1volt
Tần số: 2000MHz-3000MHz
Trên cơ sở các thông số thiết kế trên, ta tiến hành thiết lập tương ứng chúng vào phần mềm mô phỏng 4NEC2: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ cửa sổ chính (main) của chương trình, truy cập vào Edit NEC input- file sau đó tiến hành thiết lập các thông số của anten cần mô phỏng:
+ CM (Comment Card): EBG anten. + CE: Start.
+ Thiết lập anten nguồn (Dipole: Ld=58 mm, rd=0,06 mm), đặt cách PRS1 một khoảng D1=12mm như bảng 3-3.
Bảng 3-3: Thiết lập Dipole
Card Tag Segm X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Wire-rad
GW 1 58 -0.029 0 0.012 0.029 0 0.012 0.00006 + Thiết lập mặt phẳng EBG: Kích thước mặt phẳng: Wd = Ld = 900mm. Được tạo bởi các thanh kim loại đường kính a = 2mm, đặt cách đều nhau Pt=30mm, như bảng 3-4.
Bảng 3-4: Thiết lập cấu trúc EBG
Card Tag Segm X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Wire-rad
GW 2 45 -0.45 -0.45 0.060 0.45 -0.45 0.060 0.002 GW 3 45 -0.45 -0.42 0.060 0.45 -0.42 0.060 0.002 GW 4 45 -0.45 -0.39 0.060 0.45 -0.39 0.060 0.002 GW 5 45 -0.45 -0.36 0.060 0.45 -0.36 0.060 0.002 GW 6 45 -0.45 -0.33 0.060 0.45 -0.33 0.060 0.002 GW 7 45 -0.45 -0.30 0.060 0.45 -0.30 0.060 0.002 GW 8 45 -0.45 -0.27 0.060 0.45 -0.27 0.060 0.002 GW 9 45 -0.45 -0.24 0.060 0.45 -0.24 0.060 0.002 GW 10 45 -0.45 -0.21 0.060 0.45 -0.21 0.060 0.002 GW 11 45 -0.45 -0.18 0.060 0.45 -0.18 0.060 0.002 GW 12 45 -0.45 -0.15 0.060 0.45 -0.15 0.060 0.002 GW 13 45 -0.45 -0.12 0.060 0.45 -0.12 0.060 0.002 GW 14 45 -0.45 -0.09 0.060 0.45 -0.09 0.060 0.002 GW 15 45 -0.45 -0.06 0.060 0.45 -0.06 0.060 0.002 GW 16 45 -0.45 -0.03 0.060 0.45 -0.03 0.060 0.002 GW 17 45 -0.45 0.00 0.060 0.45 0.00 0.060 0.002 GW 18 45 -0.45 0.03 0.060 0.45 0.03 0.060 0.002
Card Tag Segm X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Wire-rad GW 19 45 -0.45 0.06 0.060 0.45 0.06 0.060 0.002 GW 20 45 -0.45 0.09 0.060 0.45 0.09 0.060 0.002 GW 21 45 -0.45 0.12 0.060 0.45 0.12 0.060 0.002 GW 22 45 -0.45 0.15 0.060 0.45 0.15 0.060 0.002 GW 23 45 -0.45 0.18 0.060 0.45 0.18 0.060 0.002 GW 24 45 -0.45 0.21 0.060 0.45 0.21 0.060 0.002 GW 25 45 -0.45 0.24 0.060 0.45 0.24 0.060 0.002 GW 26 45 -0.45 0.27 0.060 0.45 0.27 0.060 0.002 GW 27 45 -0.45 0.30 0.060 0.45 0.30 0.060 0.002 GW 28 45 -0.45 0.33 0.060 0.45 0.33 0.060 0.002 GW 29 45 -0.45 0.36 0.060 0.45 0.36 0.060 0.002 GW 30 45 -0.45 0.39 0.060 0.45 0.39 0.060 0.002 GW 31 45 -0.45 0.42 0.060 0.45 0.42 0.060 0.002 GW 32 45 -0.45 0.45 0.060 0.45 0.45 0.060 0.002 + GE (End of Geometry).
+ EX (Excitation): thiết lập nguồn cho Dipole. Ta chọn nguồn điện áp đặt vào chính giữa của Dipole (segment thứ 30), như bảng 3-5.
Bảng 3-5: Thiết lập nguồn cho Dipole
Card Type Tag Segm Option V (real) V (imag)
GW 0 1 30 0 1 0
+ FR (Frequency): thiết lập tần số nguồn điện 2GHz – 3GHz, như bảng 3-6.
Bảng 3-6: Thiết lập tần số
Card Type Steps - - Start Stepsize
GW 0 51 0 0 2000 20
+ EN (END).
Chạy chƣơng trình 4NEC2:
Thực hiện các thao tác chạy chương trình: Caculate/Nec output-data với các lựa chọn chế độ chạy chương trình (option):
+ Use original file; + Far field pattern; + Frequency sweep; + Near field pattern;
+ Its HF360 Degree Gain table; + Its Gain @ 30 Frequencies.
Tiếp theo tiến hành thiết lập các thông số liên quan tới từng chế độ chạy của chương trình, chấp nhận chạy chương trình bằng nút lệnh Generate.
3.3.3 Đặc tính phối hợp trở kháng
Chạy chương trình ở chế độ “Use original file”, thiết đặt frequency sweep trong dải tần xung quanh tần số làm việc (tần số cộng hưởng 2.35GHz), export ra file .txt hoặc .csv ta vẽ được đồ thị thể hiện đặc tính phối hợp trở kháng như các hình 3-7, hình 3-8, hình 3-9 tương ứng với các thiết đặt vị trí khác nhau của dipole so với mặt phẳng PEC.
Hình 3-8: Đặc tính phối hợp trở kháng với D1=11mm
Hình 3-9: Đặc tính phối hợp trở kháng với D1=10mm
3.3.4 Các đặc tính kỹ thuật khác của Anten a. Đồ thị bức xạ a. Đồ thị bức xạ
Chạy chương trình ở chế độ “Far field pattern”, thiết lập frequency là một tần số trong dải tần xung quanh tần số làm việc (tần số cộng hưởng 2.35GHz), thu được dạng bức xạ của anten như hình 3-10 tương ứng với các thiết lập tần số làm việc khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
f=2.3GHz f=2.35GHz
f=2.4GHz f=2.5GHz
Hình 3-10: Dạng bức xạ của anten EBG
b. Độ định hƣớng của anten
Tương ứng với các tần số làm việc của anten đã thiết đặt ta tổng hợp được độ định hướng trong các trường hợp đó như trong bảng 3.7.
Bảng 3.7: Độ định hƣớng của anten
Frequence (GHz) 2,3 2,325 2,35 2,38 2,4 2,5
c. Băng thông
Từ đồ thị đặc tính phối hợp trở kháng hình 3-3, hình 3-4, hình 3-5 ta xác định được độ rộng băng thông tương ứng với các vị trí đặt anten nguồn so với mặt phẳng PEC là D1 như trong bảng 3.8.
Bảng 3.8: Băng thông của anten
D1 (mm) Band pass ∆f (MHz)
10 140 (=5.6%)
11 145 (=6.2%)
12 163 (=6.9%)
3.4. Kết luận chƣơng 3
Để đánh giá sự thay đổi độ định hướng cũng như độ lợi bức xạ của dipole trong trường hợp này ta hãy so sánh với bức xạ của chính dipole trên trong trường hợp chỉ sử dụng 01 bề mặt bán phản xạ PRS1 (là mặt PEC) mà không sử dụng bề mặt bán phản xạ PRS2 (là cấu trúc EBG như trên) với nguồn bức xạ đặt vào dipole là nguồn áp, tần số f=2.35GHz ta được đồ thị định hướng như hình 3-11.
f=2.3GHz f=2.35GHz
Như vậy, ở tần số bức xạ 2.35GHz so với bức xạ đẳng hướng của dipole khi chỉ có mặt phẳng đất là mặt PEC (với độ lợi 8.81dB) thì bức xạ của dipole khi có thêm bề mặt bán phản xạ được tạo bởi cấu trúc EBG có độ định hướng cao hơn (radiation pattern có dạng bút chì, độ lợi đạt tới 21.7 dB).
Ngoài ra, đặc tính phối hợp trở kháng sau quá trình mô phỏng với vị trí đặt dipole cách mặt phẳng PEC một khoảng D1=12mm như hình 3-7 và hình 3- 12, cho thấy khả năng phối hợp trở kháng của anten EBG tốt hơn so với dipole trong cùng điều kiện.
Hình 3-12: Đồ thị đặc tính phối hợp trở kháng của dipole với D1=12mm Những thông số mô phỏng trên căn bản đánh giá được tính ưu việt về dạng bức xạ, độ lợi và đảm bảo được các thông số kĩ thuật căn bản khác của anten khi sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt (cụ thể là vật liệu EBG) trong việc thiết kế mẫu anten mới.
KẾT LUẬN CHUNG 1. Đóng góp của đề tài
Mục đích của nghiên cứu này là đưa ra một mẫu anten phẳng cao tần ứng dụng trong truyền thông điểm-điểm nhằm cải thiện hoạt động của anten nguồn. Nghiên cứu đã minh chứng việc sử dụng cấu trúc đặc biệt EBG cho việc phát triển mẫu anten cao tần thế hệ mới với tính ưu việt về độ lợi của anten, ứng dụng trong truyền thông điểm-điểm.
Đề tài trước hết trình bày khái quát các hệ anten có độ lợi cao đã và đang dùng trong truyền thông điểm-điểm, từ đó rút ra những ưu, nhược điểm của các hệ anten đó. Các loại anten cao tần có độ lợi cao truyền thống nói chung cho thấy một nhược điểm lớn là sự cồng kềnh về kích thước hình học. Mẫu anten đơn giản mà đề tài đề xuất thiết kế cơ bản đã giải quyết được nhược điểm đó, kích thước và độ lợi là những ưu điểm nổi bật trong mẫu anten đề xuất, trong khi các kết quả mô phỏng cũng cho thấy các thông số khác về tần số làm việc, băng thông, phối hợp trở kháng hoàn toàn có thể chấp nhận được cho một anten định hướng.
Đề tài cũng đã trình bày về cơ sở lí thuyết cấu trúc vật liệu EBG, những đặc tính độc đáo của cấu trúc vật liệu EBG ứng dụng trong việc thiết kế anten, trong đó đã đi sâu tính toán lí thuyết hệ số truyền, hệ số phản xạ của cấu trúc EBG trên cơ sở đó trình bày cấu tạo của mẫu anten EBG và tính toán lí thuyết các thông số hoạt động mẫu anten. Các nghiên cứu đó là những kiến thức giúp ta hiểu tổng quan về cấu trúc, nguyên tắc hoạt động … và cũng chính là các nguyên tắc căn bản để thiết kế anten.
Mẫu anten sử dụng cấu trúc đặc biệt EBG được thiết kế là một dạng anten EBG cơ bản. Song các kết quả mô phỏng bằng máy tính cho thấy mẫu anten này đã cải thiện được đáng kể những đặc tính kỹ thuật của một anten cao tần về đồ