Thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna VHF trên vệ tinh f0 = 150MHz

Thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna VHF trên vệ tinh f0 = 150MHz Cùng với sự phát triển công nghệ vệ tinh, việc nghiên cứu phát triển chế tạo vệ tinh có kích thước nhỏ bay tầm thấp trở nên phổ biến. Chẳng hạn, CubeSat là một loại vệ tinh được thu nhỏ về kích thước, nó có thể tích khoảng 1 m 3 khối ượng không lớn hơn 1 kg, thuộc loại PicoSatellite.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRUNG TÂM ĐÀO TẠO TÀI NĂNG VÀ CHẤT LƯỢNG CAO

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

*************

Bài tập lớn Thông Tin Vệ Tinh

Đề tài Thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna VHF

trên vệ tinh f 0 = 150MHz

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm

Thực hiện: Hà Trung Dũng SHSV : 20090509

Lớp: KSTN – Điện tử Viễn thông – K54

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

Contents

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ……… 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU ……….3

ĐẶT VẤN ĐỀ……… 4

CHƯƠNG I : Lý thuyết Plannar Antenna ……… …5

CHƯƠNG II : Antenna vòng SRR tiếp điện kiểu microstrip-fed……… 8

CHƯƠNG III : Mô tả antenna ……….10

CHƯƠNG IV : Mô phỏng, chế tạo, tối ưu antenna ……… 12

CHƯƠNG V : Kết luận ……….17

TÀI LIỆU THAM KHẢO………… 18

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : A patch antenna ……….… 5

Hình 1.2 : A patch antenna and its coordinate system.……… …… 6

Hình 1.3 : Đồ thị phát xạ của 1 tấm patch antenna.……….… 6

Hình 3.1 : Mô hình antenna và các thông số (a) 3D và 2D print, (b) top layer, (c) bottom layer ……… 11

Hình 4.1 : Ảnh hưởng của thông số Rfi ……….……… 12

Hình 4.2 : Ảnh hưởng của thông số Rfo.……….………13

Hình 4.3 : Ảnh hưởng của thông số Wfs.……….13

Hình 4.4 : Ảnh hưởng của thông số S.……… ……… 13

Hình 4.5 : Ảnh hưởng của thông số Sr.……… ……….14

Hình 4.6 : Ảnh hưởng của thông số t.……… 14

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng hoàn thiện ……… 14

Hình 4.8 : Đồ thị phát xạ 2D.……… 15

Hình 4.9 Đồ thị phát xạ 3D……… 15

Hình 4.10 : Surface Current.……… … 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 : Băng thông tại -10dB thay đổi theo hằng số điện môi ɛr……… 19

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với sự phát triển công nghệ vệ tinh, việc nghiên cứu phát triển chế tạo vệ tinh có kích thước nhỏ bay tầm thấp trở nên phổ biến Chẳng hạn, CubeSat là một loại

vệ tinh được thu nhỏ về kích thước, nó có thể tích khoảng 1 m3 khối ượng không lớn hơn 1 kg, thuộc loại Pico-Satellite Vệ tinh được thu nhỏ, đồng nghĩa với việc các thiết

bị tích hợp trên vệ tinh cũng phải được thu nhỏ, antenna trên vệ tinh không phải ngoại

lệ Báo cáo này trọng tâm hướng đến thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna thu nhỏ được sử dụng trên vệ tinh Cụ thể, antenna được thiết kế, mô phỏng chế tạo có tần số trung tâm f0 = 150MHz thuộc dải tần VHF, tiếp điện kiểu microstrip-fed, 1 loại planar antenna Đồng thời báo cáo cũng thông qua công cụ mô phỏng CST tối ưu kích thước

để đưa ra các kết quả tần số hoạt động khác nhau xung quanh tần số f0=150MHz

Keyword : planar Antennas, small Antennas, VHF antennas, microstrip-fed antenna, SRR

Chương I – Lý thuyết Plannar Antenna

Một antenna vi dải là 1 antenna khắc trên 1 tấm patch , và tấm patch cơ bản được phác trên hình 1.1a Sự đa dạng về cấu trúc được sử dụng, cả cho hình dạng của antenna và cách tiếp điện cho nó, tuy nhiên hoạt động cơ bản có thể được hiểu qua tấm patch phát xạ cơ bản như trên hình 1.1b

Hình 1.1 : A patch antenna Trong hình 1.1a tiếp điện kiểu microstrip-fed, đường tiếp điện nối với tấm patch là copper được in mặt trên tấm điện môi Tấm điện môi được sử dụng là FR-4 có ɛ = 4.4

có độ dày 1.6mm Trường dưới tấm patch được tập trung trong lớp điện môi Bên sườn tấm patch trường điện từ được kết hợp với sóng bề mặt và sóng phát xạ, sự phát

xạ được hình thành trong lớp điện môi chiếm 1 vùng giữa tấm patch và ground

Trường phát xạ được minh họa trên hình 1.1b

Hình 1.2 minh họa bề mặt tấm patch được đặt tại gốc tọa độ Biểu thức mẫu bức xạ xấp xỉ trên mặt phẳng chính tại ɸ = 00 và ɸ = 900 [1] là :

g(θ, ɸ = 900) = cos2(𝜋𝑏

𝜆0 sinθ) (1.1)

g(θ, ɸ = 00) = cos2θ(𝑠𝑖𝑛𝑋

𝑋 ) (1.2)

trong đó X = (𝜋𝑎

𝜆0) 𝑠𝑖𝑛θ, 𝜆o là bước sóng trong không gian tự do Đồ thị của 2 phương trình (1.1) và (1.2) được vẽ trên hình 1.3

Hình 1.2 : A patch antenna and its coordinate system

Hình 1.3 : Đồ thị phát xạ của 1 tấm patch antenna

Trong thực tế kích trước của tấm patch nhỏ hơn ½ bước sóng trong không gian tự do bởi vì vận tốc pha vp của sóng nhỏ hơn giá trị trong không gian tự do Trong đó

vp = f𝜆, và tốc độ pha trong môi trường điện môi ɛr là c/√𝜀𝑟 , tức là khoảng 0.5m tại tần số 150MHz, với điện môi là FR-4 Kích thước khá lớn, so với một số vệ tinh thu nhỏ Do đó, thu nhỏ kích thước antenna bằng các cấu trúc tấm patch là điều cần thiết, nếu muốn thu nhỏ kích thước vệ tinh Sử dụng lý thuyết meta-material truyền thống, cấu trúc vòng cung SRR được đưa ra để thu nhỏ kích thước antenna

Chương II – Antenna vòng SRR tiếp điện kiểu microstrip-fed

Một antenna thu nhỏ kích thước tiếp điện kiểu mirostrip-fed kết hợp của vòng SRR nối với nhau bên ngoài và 1 vòng cung monopole được giới thiệu Kích thước của antenna được cấu hình 1/25 bước sóng, toàn bộ lớp substrate điện môi có kích thước 80x60mm và hoạt động tạo tần số 150MHz

Trong thông tin vô tuyến hiện đại, nhu cầu tăng tốc độ truyền và công suất lớn hơn, đều đi liền với nhu cầu từ người sử dụng để đáp ứng các dịch vụ phức tạp, việc này yêu cầu thiết kế một hệ thống hoạt động tốt hơn [2] Vì các thiết bị thông tin trở bên nhỏ hơn do việc tích hợp vào mạch điện tử, antenna trở thành thành phần lớn đáng

kể của 1 khối toàn bộ thiết bị Kết quả này phụ thuộc vào nhu cầu thu nhỏ kích thước antenna Do đó, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phương pháp khác nhau để thu nhỏ kích thước của antenna vi dải [3-21]

Một tấm điện môi có điện môi lớn được sử dụng để làm giảm bước sóng hiệu dụng, và giảm kích thước antenna [3-6] 1 tấm điện môi bằng gốm mới phát triển được

sử dụng ở [5] bởi vì giá trị điện môi của nó rất lớn Shorted pin và walls được sử dụng trong cấu trúc đối xứng để giảm đi ½ hay ¾ kích thước antenna [7-10] Việc sử dụng hình dạng đường meander, zigzag, hình xoắn ốc của antenna trong vùng nhỏ, giản đến kích thước antenna λ/10 được thiết kế trong [11-14]

Sử dụng hình Hilbert có thế giảm kích thước toàn bộ lên đến 77% đưa kích thươc antenna gần với giá trị ¼ bước sóng [15-17] Vật liệu từ nhân tạo dựa vào đường cong Hilbert tuần hoàn cũng được sử dụng để tăng điện môi hiệu dụng của lớp

substrate, dẫn đến có thể thu nhỏ kích thước antenna [16] Công nghệ metamaterials được sử dụng gần đây được sử dụng trong [18-21] Và SRR, thành phần cơ bản trong thiết kế metamaterial, thiết kê các antenna thu nhỏ với kích thước rất nhỏ [20-21]

Antenna được trình bày trong [21] chỉ có kích thước bằng λ/23.4 Tuy nhiên, để

cho antenna này hoạt động, 1 vòng mặt phẳng đất có đường kính 400mm được sử dụng tại tần số 305MHz Báo cáo này là 1 bản đơn giản hóa của antenna thu nhỏ được trinh bày trong [21] được thiết kế giảm kích thước nhiều hơn Antenna được tiếp điện theo đường vi dải, dễ dàng chế tạo Hình

dạng và kết quả mô phỏng sẽ được trình bày trong 2 chương sau Antenna

có điều kiện nên, sản phẩm và kết quả đo đạt sẽ được trình bày trong buổi thuyết trình

Chương III – Mô tả antenna

SRR có thể thu nhỏ kích thước bán kính ngoài và khả năng sinh ra đáp ứng điện từ mạnh; do đó chúng hình thành nền tảng rất thu hút cho việc thiết kế antenna kích thước điện nhỏ Cho mục tiêu này, 1 broadside-coupled SRR được sử dụng phụ thuộc vào tỉ số bán kính và bước sóng mong muốn như so sánh trong các cấu trúc SRR khác [22] Trong báo cáo này, SRR antenna được trình bày Antenna thiết kê được minh họa ở hình 3.1 Antenna gồm có hình cung monopole tiếp điện 50ohm dạng microstrip-fed và bên ngoài nó là coupled SRR Monopole gồm có 2 nửa đường tròn với bán kính là Rfi và Rfo, và 2 tâm của 2 đường tròn cách nhau 1 khoảng

“Offset” Độ rộng bắt đầu từ Wfs và độ rộng kết thúc là 2Rfo-2Rfi-Wfs SRR được in trên mặt top và bottom của substrate tấm điện môi Độ rộng vòng ring là t, khoảng cách sường trong của ring và sườn ngoài của monopole là Sr SRR trên lớp bottom được nối với đất từ mặt phẳng bên phải và không nối từ mặt bên trái với khoảng cách

là S Trên lớp top, được nối mặt phẳng đấy bên trái thông qua một lỗ via, và bên phải được cách biệt với khoảng cách S Toàn bộ kích thước phần đất có kích thước WgxLg Kích thước substrate có kích thước 80x60mm2 bằng FR-4 có ɛr = 4.4 có độ dày

1.6mm Mô hình của SRR này có 1 cảm kháng lớn từ 2 nửa vòng ring và ground, điện dung trên khe giữa 2 vòng ring và mặt phẳng ground, vùng giữa 2 nửa vòng ring và slot giữa 2 nửa vòng ring và monopole Dung kháng và cảm kháng trên gây ra cộng hưởng ở tần số thấp

(a)

Hình 3.1 : Mô hình antenna và các thông số (a) 3D và 2D print, (b) top layer, (c) bottom

layer

CHƯƠNG IV : Mô phỏng, chế tạo, tối ưu antenna

Các thông số của antenna này được nghiên cứu để có thể hiểu được ảnh hưởng của mỗi thông số, no được yêu cầu cho quá trình tối ưu hóa antenna Hơn nữa, biết ảnh hưởng của mỗi thông số, chúng ta có thể sử dụng 1 hoặc nhiều thông số để tái cấu hình antenna việc sử dung MEMs để tăng bandwidth của antenna này Kích thước đầu tiên được đưa ra ở Table 1, với Offset = Rfo - (Rfi + Wfs) và Re = t/2

Hình 4.1 đến 4.6 minh họa ảnh hưởng của các thống số, mỗi thông số được thay đổi trong 1 thời gian, trong khi các thông số khác được giữ nguyên như trong bảng 4.1

Bảng 4.1 : Các thông số

Hình 4.1 : Ảnh hưởng của thông số Rfi

Hình 4.2 : Ảnh hưởng của thông số Rfo

Hình 4.3 : Ảnh hưởng của thông số Wfs

Hình 4.4 : Ảnh hưởng của thông số S

Hình 4.5 : Ảnh hưởng của thông số Sr

Hình 4.6 : Ảnh hưởng của thông số t

Hình 4.7 : Kết quả mô phỏng hoàn thiện

Kết quả cuối cùng của S1,1 được cho như hình 4.7 tần số hoạt động tại f0 = 150MHz, giá trị S1,1min = 27,4dB

Đồ thị phát xạ 2D(3 mặt phẳng xy, yz, zx) và 3D, sau mô phỏng tối ưu, được

cho ở hình 4.8-4.9 Cùng vời đó là mật độ dòng bề mặt được minh họa bằng 3D được

cho ở hình 4.10

Hình 4.8 : Đồ thị phát xạ 2D

Hình 4.9 : Đồ thị phát xạ 3D

Hình 4.10 : Surface Current

Chương V – Kết luận

Antenna có thiết kế đơn giản với kích thước nhỏ đã được trình bày trong báo cáo Mô hình antenna là monopole và cấu trúc SRR, đường tiếp điện microstrip-fed line và phần đất được cắt, giúp cho việc giảm nhỏ kích thước antenna hoạt động ở tần

số thấp, cụ thể, tại f0 = 150MHz thuộc dải tần VHF Mô hình này có thể được phát triển cho antenna tái cấu hình Antenna đã giảm đến kich thước bằng 1/25 bước sóng

Tài liệu tham khảo :

Design Peter Peregrinus, UK

[2] Eldek, A A., “A compact multi-band meanderline antenna for wireless

communications applications,” Microwave Opt Tech Lett., Vol 50, No 4,

1117–1121, Apr 2008

[3] Lo, T K., C.-O Ho, Y Hwang, E K W Lam, and B Lee, “Miniature

aperture-coupled microstrip antenna of very high permittivity,” Electronics

Letters, Vol 33, No 1, 9–10, 1997

[4] Lee, B and F J Harackiewicz, “Miniature microstrip antenna with a

partially filled high-permittivity substrate,” IEEE Transactions on

Antennas and Propagation, Vol 50, No 8, 1160–1162, 2002

[5] Kula, J S., D Psychoudakis, W.-J Liao, C.-C Chen, J L Volakis, and J W Halloran, “Patch-antenna miniaturization using recently

available ceramic substrates,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol

48, No 6, 13–20, 2006

[6] Kim, J.-S., W.-K Choi, and G.-Y Choi, “Small proximity coupled ceramic

patch antenna for UHF RFID tag mountable on metallic objects,” Progress In

Electromagnetics Research C, Vol 4, 129–138, 2008

[7] Ruvio, G and M J Ammann, “A novel wideband semi-planar

miniaturized antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol

55, No 10, 2679–2685, 2007

[8] Ko, C.-H., M.-J Chiang, and J.-Y Sze, “Miniaturized planar annular

slot antenna design utilizing shorting conducting strip,” IEEE Antennas and

Wireless Propagation Letters, Vol 8, 1360–1363, 2009

[9] Mak, C L., R Chair, K F Lee, K M Luk, and A A Kishk, “Half U-slot

patch antenna with shorting wall,” Electronics Letters, Vol 39, No 25, 1779–

1780, 2003

[10] Chiu, C Y., C H Chan, and K M Luk, “Small wideband patch antenna

with double shorting walls,” 2004 IEEE Antennas and Propagation Society

International Symposium, Vol 4, 3844–3847, 2004

[11] Sharma, S K and L Shafai, “Investigations on miniaturized endfire

vertically polarized quasi-fractal log-periodic zigzag antenna,” IEEE

Transactions on Antennas and Propagation, Vol 52, No 8, 1957–1962, 2004

[12] Sarabandi, K and R Azadegan, “Design of an efficient

miniaturized UHF planar antenna,” IEEE Transactions on Antennas and

Propagation, Vol 51, No 6, 1270–1276, 2003

[13] Abbosh, A M., “Miniaturized microstrip-fed tapered-slot antenna with

ultrawideband performance,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,

Vol 8, 690–692, 2009

[14] Hong, W and K Sarabandi, “Low profile miniaturized planar antenna

with omnidirectional vertically polarized radiation,” IEEE Transactions on

Antennas and Propagation, Vol 56, No 6,1533–1540, 2008

[15] Huang, J.-T., J.-H Shiao, and J.-M Wu, “A miniaturized hilbert

inverted-F antenna for wireless sensor network applications,” IEEE Transactions on

Antennas and Propagation, Vol 58, No 9,

3100–3103, 2010

[16] Yousefi, L and O M Ramahi, “Miniaturised antennas using artificial

magnetic materials with fractal hilbert inclusions,” Electronics Letters, Vol 46,

No 12, 816–817, 2010

[17] Azaro, R., F Viani, L Lizzi, E Zeni, and A Massa, “A monopolar quad-band antenna based on a hilbert self-affine prefractal

geometry,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 8, 177–180,

2009

[18] Volakis, J., C C Chen, and K Fujimoto, Small Antennas —

Miniaturization Techniques and Applications, McGraw Hill, 2010

[19] Chen, P Y and A Alu, “Dual-mode miniaturized elliptical patch antenna

with mu-negative metamaterials,” IEEE Antennas and Wireless Propagation

Letters, Vol 9, 351–354, 2010

[20] Li, M., X Q Lin, J Y Chin, R Liu, and T J Cui, “A novel

miniaturized printed planar antenna using split-ring resonator,” IEEE

Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 7, 629–631, 2008

[21] Kim, O S and O Breinbjerg, “Miniaturized self-resonant split- ring

resonator antenna,” Electronics Letters, Vol 45, No 4, 196–197, 2009

[22] Marques, R., F Mesa, J Martel, and F Medina, “Comparitive analysis

of edge and broadside-coupled split ring resonators for metamaterial

design — Theory and experiments,” IEEE Transactions on Antennas and

Propagation, Vol 51, No 10, 2572–2581, 2010