Thiết kế anten đơn cực phẳng ứng dụng trong các thiết bị cầm tay di động (mobile hanset).

Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số như : tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ , .... General Tab Solution Frequency Tần số này được sử dụng bởi t

Đề tài: Thiết kế anten đơn cực phẳng ứng dụng trong các thiết bị cầm tay di động (mobile hanset).

Anten bao gồm một bộ phát xạ hình chữ nhật bị xẻ bởi các rãnh uốn khúc tạo thành 3 nhánh, trong đó 2 nhánh cộng hưởng và 1 nhánh điều chỉnh Anten này có thể hoạt động trong các dải tần GSM, DCS, PCS, UTMS và WLAN với hệ số sóng đứng VSWR nhỏ hơn 2,5

Hình dạng của anten

1 Phần mềm HFSS phiên bản 9.1

HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator HFSS là phần mềm mô phỏng trường 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 nó là có giao diện người dùng đồ họa Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, 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 như : tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ ,

HFSS là mộ t hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện Điều này cho phép tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào Đặc biệt là đối với các cấu trúc có dạng

cong phức tạp Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp ph ần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như : phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, …

1 Vẽ mô hình với các tham số cho trước: v ẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích

2 Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời giải

3 Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động

4 Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị trường 2D

B.1 Solution Setup

Click phải vào Analysis và chọn Add Solution Setup… Cửa sổ Solution Setup sẽ hiển thị Tại đây ta sẽ thiết đặt Solution Frequency (hay Adaptive Frequency) và Convergence Criteria (tiêu chuẩn hội tụ )

General Tab

Solution Frequency

Tần số này được sử dụng bởi thành phần chia lưới thích nghi (adaptive mesher) để tự động chia mắt lưới Sau khi thiết đặt “Solution frequency”, tất nhiên sẽ nhận được một giá trị bước sóng tương ứng, và HFSS sẽ thiết đặt việc tính toán các mắt lưới theo giá trị bước sóng này Do đó, nếu thiết đặt tần số “Solution frequency” cao hơn, ta sẽ nhận được bước sóng ngắn hơn, mắt lưới ta thu được cũng nhỏ hơn Điều đó cũng có nghĩa rằng, số lượng mắt lưới sẽ lớ n hơ n Về lý thuyết, kết quả mô phỏng nhận được sẽ chính xác hơn Vì vậy, “Solution frequency” không nhất thiết phải trùng với tần số cộng hưởng của cấu trúc

Tuy nhiên , ta sẽ gặp một vấn đề khác đó là: tài nguyên củ a máy vi tính (bộ nhớ) là có hạn

Do đó, nếu số lượng mắt lưới quá lớn, sẽ làm tràn bộ nhớ máy tính Giải pháp cho vấn đề này được thự c hiện như sau: chia dải tần quan tâm (500 MHz – 3 G Hz), đối với anten được thiết kế trong đề tài này, thành 5 dải tần nhỏ hơn và thực hiện phân tích với thiết đặt “Solution frequency” cho từng dải nhỏ như sau:

D ả i t ần S o l u t ion fr equency

500 1000 MHz 1000 MHz

1000 1500 MHz 1500 MHz

1500 2000 MHz 2000 MHz

2000 2500 MHz 2500 MHz

2500 3000 MHz 3000 MHz

Bảng B.1 Lựa chọn Solution frequency

Thiết lập thông số solution setup trong tap general Khi quá trình phân tích cho tất cả 5 dải tần trên kết thúc, ta sẽ v ẽ các kết quả thu được cho 5 dải tần trên trên cùng một đồ thị bằng cách xuất dữ li ệu ra file *.m (Matlab), sau đó sử dụng Matlab để vẽ đồ thị

Solve Ports Only

Khi sử dụng tùy chọn này, HFSS xác định tần số hoặc mode ban đầu được sử dụng để kích thích cấu trúc Lời giải chỉ áp dụng tại các port có thể được sử dụng để tính toán giản đồ trường tại port Lời giải này hữu dụng khi cần xác đị nh số lượng mode, độ dàim port và/hoặc thiết lập port hợp lý trước khi chạy Analysis để tìm toàn bộ lời giải

Adaptive Solutions

Maximum Number of Passes: giá trị này điều khiển số lượng bước thích nghi lớn nhất mà thủ tục chia lưới thích nghi sẽ thực hiện khi nó cố gắng t hoả mãn tiêu chu ẩn hội tụ

Maximum Delta S Per Pass: giá trị này định nghĩa tiêu chuẩn hội tụ cho quá trình chia lưới thích nghi Thông thường giá trị này được chọn khoảng 0.02 hoặc 0.01 là đủ

Quá trình chia lưới thích nghi có thể sẽ ngừng khi số lượng bước thích nghi chư a đạt đến giá trị “Maximum Number of Passes” nếu giá trị Delta S đã thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ “Maximum Delta S Per Pass” được thiết lập ở trên

Advanced Tab

Initial Mesh Options

Do Lambda Refinement: lưới khởi tạo là một hệ thống mắt lưới có dạng tứ diện bất kỳ

Quá trình Lambda Refinement sẽ thao tác trên lưới khởi tạo cho tới khi hầu hết các độ dài của phần tử mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng trong không khí và 1/3 bước sóng trong điện môi Bước sóng được tính toán từ giá trị tần số được nhập vào trong tuỳ chọn “Solution Frequency” trong tab General

Use Free Space Lambda: tuỳ chọn này sẽ ép quá trình Lambda Re finement hướng tới kích thước mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng trong không khí Các đặc tính vật liệu của cấu trúc sẽ bị bỏ qua Điều này có thể hữu dụng trong các ứng dụng sử dụng các điện môi có độ dẫn điện cao

Adaptive Options

Refinement Per Pass: số lượng mắt lưới tăng lên sau mỗi bước thích nghi và được điều khiển bở i tuỳ chọn Refinement Per Pass, tham số này tính theo phần trăm Điều này đảm bảo rằng giữa mỗi bước thích nghi, mắt l ưới đủ xáo trộn và đả m bảo rằng b ạn sẽ không nhận được sự hội

tụ sai

Minimum Number of Passes: một phân tích thích nghi sẽ không dừng cho tới khi số lượng bước tối thiểu mà bạn xác định trong tùy chọ n này đã hoàn thành, thậm chí ngay cả khi tiêu chuẩn hội tụ đã thoả mãn

B.2 Mesh Operati ons

Click phải vào “Mes h Operations”, chọn Assign, chọ n On Selection, chọn Length Based… Cửa sổ Element Length Based Refinement xuất hiện Tại đây cho phép bạn thiết đặt các tùy chọn cho quá trình chia lưới thích nghi

Maximum Length of Elements

Kinh nghiệm thực tế từ mô phỏng cho ta một nhận xét rằng: thi ết đặt tùy chọn Maximum Length of Elements với giá trị bằng 1/30 giá trị bước sóng trong chân không ở tần số cao nhất trong dải tần th ự c hi ện phân tích sẽ cho kết quả đủ chính xác

Ví d ụ trong dải 500 MHz – 1000 MHz thì tần số 1000 MHz là t ần số cao nhất trong dải, bước sóng trong chân không tương ứng với tần số đó là 300 mm, do đó 1/30 của bước sóng này s ẽ

là 10 mm

Giá trị Maximum Length of Elements được thiết đặt cho 5 dải tần trong mô phỏng cho anten trong đề tài này như sau:

B.3 Radi ation Boundary

Biên bứ c xạ (radiation boundary), cũng còn gọi là biên hấp thụ (absorbing boundary) Sóng điện từ bức xạ ra ngoài cấu trúc anten và đ i th ẳng t ớ i biên bứ c xạ Hệ thống s ẽ hấp thụ các sóng

b ứ c xạ này tại biên b ứ c xạ Các biên bứ c xạ c ũ ng có thể được đặt tương đối gần với cấu trúc và

có thể có hình dạng bất kỳ Với cấu trúc được thi ết l ập biên b ứ c xạ, các tham số S được tính toán

có tính đến cả các ảnh hưởng của mất mát do bứ c xạ Khi biên bứ c xạ được thiết lập trong m ộ t c

ấu trúc, trường xa đượ c tính toán dựa trên sóng hấp thụ thu được tại biên bứ c xạ

Để đơn giản, ta thường vẽ biên bức xạ là một hình hôp chữ nhật,và độ dài cạnh của nó thường được chọn bằng bước sóng trong chân không của t ần số thấp nhất trong d ải tần quan tâm Tuy nhiên, đôi khi quá trình mô phỏng với thiết đặt biên bức xạ như v ậy diễn ra quá chậm, ta có thể thiết đặt biên bức xạ bằng chỉ ½ g iá trị b ước sóng trong chân không của tần số thấp nh ất Trong

đề tài này, tần số thấp nhất trong dải 500 MHz – 3000 MHz là 500 MHz, do đó ta vẽ biên bứ c xạ là một hình hộp chữ nhật (hình B.4) với độ dài cạnh là 300 m m (1/2 bước sóng tại tần số 500 MHz)

2 Kết quả mô phỏng với HFSS 9 1

Với tiêu chuẩn hội tụ được thiết đặt ở trên là: sự thay đổi cực đại của biên độ của tham số S phải nhỏ hơn 0.02 (giá trị mặc định), HFSS cần 6 bước thích nghi để thỏa mãn tiêu chuẩn hộ i t ụ này Hình 4.2 thể hiện quá trình hội tụ của lời giải

Minumum Converged Passes: một phân tích thích nghi sẽ không dừng trừ khi số lượng bước hội tụ tối thiểu mà bạn xác định đã hoàn thành Tiêu chuẩn hội tụ phải phù hợp với số lượng bước tối thiểu này trước khi các phân tích thích nghi dừng Thông thường các tùy chọn trong tab này đều

để mặc định là đủ Nếu muốn kết qu ả chính xác hơn, ta có thể thay đổi các tùy chọn này

Đồ thị biểu diễn S11 cho anten có nhánh mô phỏng

Đồ thị S11 cho anten không có nhánh điều chỉnh

Đồ thị VSWR cho anten có nhánh điều chỉnh

Giản đồ bức xạ trường xa trong mặt phẳng XOY

Giản đồ bức xạ trường xa trong mặt phẳng XOZ

Giản đồ bức xạ trường xa trong mặt phẳng YOZ