BÀI TẬP LỚN MÔN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thông ====o0o==== BÀI TẬP LỚN MÔN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Đề tài THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI Giáo viên hướng dẫn PGS TS Đào Ngọc Chiến Sinh viên thực hiện Nguyễn Thành Trung Nguyễn Đình An Đinh Tiến Hiệp Lớp Kỹ thuật truyền thông 1 Khóa 2011B Hà Nội, 52022 MỤC LỤC I MỤC ĐÍCH 2 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 III TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN 4 IV HƯỚNG DẪN S.

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Viện Điện Tử Viễn Thông

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ

KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Đào Ngọc Chiến Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Trung

MỤC LỤC

I MỤC ĐÍCH 2

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

III TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN 4

IV HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HFSS 7

V CÁC THÔNG SỐ ĐỂ MÔ PHỎNG TẦN SỐ 1900Ghz 9

5.1 Thiết kế ăng ten vi dải 9

5.2 Thông số thiết kế Ăng ten cấp nguôn băng cáp đồng trục 15

VI Kết quả mô phỏng 19

6.1 Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten vi dải tần số 900 19

6.2 Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục tần số 1900Ghz 20

VIII SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN 22

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ

THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền

thông không dây Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệđịnh hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại.Anten và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạch điện

tử và không gian tự do, feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử.Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhậnnăng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian Ngoài việc phối hợptrở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng về độ lợi và phương hướng bứcxạ

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông

vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với

độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi

ba, thông tin vệ tinh còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ nhưanten Yagi,anten dây, và đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệcủa các đầu cuối di động thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và

không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng.

Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước rất nhỏ có cấu tạo gồm một

lớp kim loại là mặt bức xạ, một lớp kim loại khác gọi là mặt đất (màn chắn kimloại ), một lớp điện môi giữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp điện Anten vidải có nhiều hình dạng như hình tròn,hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật trong đó, loại phổ biến nhất có kết cấu hình chữ nhật vì có hướng tính, độ lợi caođồng thời dễ kết hợp với các mạch điện tử trên cùng một mạch in

Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten

việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớn nhất

cường độ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độ trường bức

xạ của một anten chuẩn củng ở vị trí tương ứng (D) Hệ số tăng ích (Độ lợi)của anten (G=e.D), trong đó e là hiệu suất bức xạ của anten;

- Trở kháng vào của anten : ZA = RA + jXA

Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng,Thôngthường trở kháng đặc tính của feeder là R0 để phố hợp trở kháng thì ZA = R0

anten với feeder

- Hệ số sóng đứng SWR đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng giữa

Wg là chiều rộng của mặt phẳng đất;

Lg là chiều dài của mặt phẳng đất.

III TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN

Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt bức xạ, mặt phẳng đất và lớp điệnmôi ở giữa 2 mặt kim loại trên Kích thước của mặt bức xạ, chiều cao và hệ

số điện môi là những thông số quyết định tần số cộng hưởng của anten, nênchúng phải được lựa chọn và tính toán chính xác

Chọn vật liệu chế tạo anten là tấm mạch in hai mặt có hệ số điện môi và độ dày

Tính toán kích thước của anten vi dải làm việc ở tần số:

Giải tần GSM: f0= 1900 MHz

Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công thức:

hệ số điện môi của lớp điện môi

được xác định theo công thức:

Độ dài hiệu dụng của anten được xác định theo công thức:

Leff ≈

2 f o reff

Thay số vào ta có Leff ≈ 0.038

Độ tăng độ dài ∆L được tính theo công thức:

thay số vào ta có ΔLL ≈ 0.76(mm) Độ dài thực của mặt bức xạ được tính bởi công thức:

Vị trí tiếp điện tốt nhất được tính toán và xác định có tọa độ ( L/4, W/2)

Phương pháp tiếp điện này có các ưu điểm là dễ thực hiện và không có bức

xạ phụ

b Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Trong kỷ thuật tiếp điện này, một dải dẫn được kết nối trực tiếp đến cạnh củamặt bức xạ anten vi dải Dải dẫn được thiết kế trên cùng bề mặt với mặtbức xạ

Chiều rộng của dải dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của mặt bức xạ

Vị trí tiếp điện có tọa độ (L/2, 0).

Trở kháng đặc tính của đường truyền là: Zo = 50Ω

Chiều rộng của dải dẫn được tính theo công thức sau :

IV HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HFSS

HFSS ( Hight Frequency Structure Simulator ) là phần mềm mô phỏngtrường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất

kỳ thiết bị thụ động 3D nào Ưu điểm nổi bật của HFSS là có dao diện ngườidùng đồ họa,tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tựđộng tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải chocác bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác.Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite ElementMethod,FEM ), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing ) và kỹ thuật

đồ họa Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạnnhư: hệ số tổn hao, tần số cộng hưởng,giản đồ hướng tính,trở khángvào HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác,trong đó phần tử mắt lưới cơbản là một tứ diện Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vậtthể 3D nào Đặc biệt đối với các cấu trúc dạng cong phức tạp Ansoft là công

ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM ) để mô phỏngtrường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn,chia lưới thích nghi Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để pháttriển các thiết bị RF thụ động

Tóm tắt quá trình mô phỏng bằng phần mềm

HSFF

Để mô phỏng một anten bất kì về cơ bản ta thực hiện các bước sau:

diện làm việc

Chọn mặt cấp nguồn, sau đó vào HFSS \ Excitation \ Assign

- Nếu cấp nguồn bằng probe thì chọn Wave Port

- Nếu cấp nguồn bằng đường vi dải thì chọn Lumped Port

mắt bức xạ, sau đó vào HFSS \ Boundaries \ Assign \ Perfect E

- Vẽ một Box bao trùm cả anten, thông thường khoảng cách từ rìa anten đếnmặt Box khoảng ¼ bước sóng cộng hưởng cần thiết, sau đó vào:

HFSS \ Boundaries \ Assign \Radiation…

- Chọn HFSS \ Radiation \ Ínsert Far Field Setup \ Infinite Sphere…

- Màn hình hiện lên bảng phía Far Field Radiation Sphere Setup

- Nhập các thông số mình muốn và nhận OK

nhất chấp nhận được: HFSS \ Analysis Setup \ Add Solution Setup

- Solution Frequency: nhập vào tần số cộng hưởng mong muốn

- Maximum Delta S Per Pass: sai số chấp nhận được, càng nhỏ càng chínhxác

Chương trình mô phỏng sẻ chạy cho đến khi sai số tính toán nhỏ hơn hoặc

bằng delta S Khi đó xem như mô phỏng chính xác và có hội tụ (Converged) Nếu chạy hết tất cả các bước lặp mà vẫn không có sai sốnào nhỏ hơn delta S, chương trình củng sẻ tự động dừng lại Khi đóquá trình mô phỏng sẻ không hội

tụ và cho kết quả không chính xác Muốn khắc phục ta phải tăng giá trị delta Slên hoặc là tăng số bước lặp lên để nhận được kết quả chính xác Tuynhiên nếu sai số tính ra ngay những bước lặp đầu tiên đã nhỏ hơn Delta Sthì kết quả nhận được cũng không đáng tin Để tránh hiện tượng này taphải giảm Delta S để tăng số bước lặp của chương trình

Thông thường nếu chương trình chạy nhiều hơn 5 bước lặp và có hội tụ thì sẻnhận được kết quả chính xác

tâm) Vào HFSS \ Analysis Setup \ Add Sweep

để kiểm tra lỗi thiết kế Nếu không có lỗi, vào HFSS \ Analyze và bắt đầu

chạy mô phỏng

V CÁC THÔNG SỐ ĐỂ MÔ PHỎNG TẦN SỐ 1900Ghz

5.1 Thiết kế ăng ten vi dải

- Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS11 => HFSS11

- Thiết lập thông số:

+ Tool => Option => HFSS option

+ Tool => Options => Modeler options

Trong khung 3D Modele options mục Operation chọn Automatically cover

closed polylines

Trong mục Drawing chọn edit properties of new primitives

+ HFSS => Solution type => Chọn Driven Terminal

Ở đây chọn giả quyết bài toán ở tần số làm việc f0 = 1900 MHZ

- Thiết kế mặt phẳng đất: Draw => box ( đất)

+ Thông số thiết kế lớp Đất

+ Thiết lập mặt phẳng đất:

Edit => select =>

face

HFSS => Boundaries => Asign => Finite Conductivity … Ok

- Thiết kế lớp điện môi: Draw => box ( điện môi)

Thông số thiết kế lớp Điện môi

- Thiết kế mặt bức xạ => box ( bức xạ)

Thông số thiết kế lớp Mặt bức xạ

- Thiết kế lớp line => box ( line)

Thông số thiết kế lớp Line

- Thiết kế điểm cấp nguồn cho đường vi dải

Để vẽ nguồn ta vào Draw=>Rectangle (vẽ hình chữ nhật vuông góc và tiếp

xúc mặt ngoài Feed Line)

Thông số thiết kế lớp Nguồn

Thiết lập cấp điện: HFSS=>Excitations=>Asign=>Lumped Port (Nếu thấy

Feed Line ở bên mục Conducting Objects có nghĩa đã có tiếp điểm, nhấn

thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation…

Setup=>Infinte=>Ok

+ Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup

ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd FrequencySweep…

Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto

+ Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ

5.2 Thông số thiết kế Ăng ten cấp nguôn băng cáp đồng trục

- Thông số thiết kế lớp Đất (tương tự như trên)

- Thông số thiết kế lớp Điện môi (tương tự như trên)

- Thông số thiết kế lớp Mặt bức xạ (tương tự như trên)

- Thông số tiếp điện trên

- Thông số tiếp điện dưới

- Thông số thiết kế lớp Cấp nguồn :

- Thông số vòng ngoài

- Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian)

+ Thông số thiết kế lớp Không gian

+ mặt bức xạ: Kích chọn lần lượt 4 mặt bên và mặt trên của mặt bức xạ rồithực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation…

- Thiết lập các thông số :

Setup=>Infinte=>Ok

+ Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup

ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd FrequencySweep…

Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto

+ Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ

Độ lợi:

Đánh giá về quá trình và kết quả mô phỏng:

- Độ suy hao không lớn

- Kết quả mô phỏng đạt được kết quả gần sát với tần số 900

- Hình dạng đồ thị đạt với yêu cầu đề ra

- Qua nhiều lần căn chỉnh cho thấy: với tần số khá cao là 900 thì kết

quả khó chính xác,cần tính toán tỉ mỉ, chỉnh sửa hợp lý mới có

thể đạt kết quả tốt nhất

6.2 Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục tần

số 1900Ghz

Hình mô phỏng 3D

Tần số cộng hưởng:

Đồ thị smith

Đồ thị 3D Polar Plot

Đánh giá kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục:

- Tính toán tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn so với thiết kế ăng ten vi dải

- Cho hình dạng mô phỏng đạt chuẩn ít căn chỉnh hơn

- Tần số đạt được khá sát với tần số 1900khz

- Trên kết quả ta thấy độ suy hao vẫn còn khá lớn

VIII SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN

Hệ số tổn hao =-13.437dB <-9.5dB (thỏa mãn yêu cầu) Hệ số sóng đứngSWR = 1.52 € (1- 2)

Trở kháng vào của anten =47.41Ω <50Ω

(2%-10%) F Độ lợi của anten =23.775 > 3 dB

So sánh kết quả giữa thực tế và mô phỏng bằng HFSS em thấy có lệchnhưng ở mức chấp nhận được Điều này xảy ra có thể do trong quá trình tinhtoán lấy số liệu làm tròn và ảnh hưởng của đường Line, đường cấp điện ở môphỏng HFSS là lớn, trong khi yếu tố đường Line và cấp điện không làm thayđổi kết quả như khảo sát thực tế

Do có sự ảnh hưởng của thiết bị như để lâu ngày, thiết kế tay nên có thểchưa thật chính xác, núm vặn giữa antenvà máy không chặt…Nên ta thấy kết

quả chưa thật chính xác với tần số khảo sát nhưng sự cách biệt không lớnnên ta có thể dùng phương pháp này để chế tạo ăng ten.

Từ đó qua bài thực hành này em đã biết cách về tính toán,thiết kế kíchthước và sử sụng phần mềm HFSS để thiết kế anten vi dải và anten đồng trụchoạt động ở các tần số khác nhau Có điều kiện tham gia khảo sát mạch thật vàđối chiếu nó với lý thuyết đã được học và mô phỏng