Thiết kế và mô phỏng broadband planar monopole antennas

Thiết kế và mô phỏng broadband planar monopole antennas

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

 Trần Việt Khánh : Tìm hiểu lý thuyết, tính toán các thông số của anten Vẽ mô phỏng,kiểm tra kết quả mô phỏng và trình bày đồ án

 Trần Quang Khanh : Tìm hiểu lý thuyết, tính toán các thông số của anten Kiểm tra vàchỉnh sửa kết quả mô phỏng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án này không sao chép từ bất kì đồ án hoặc tài liệu nào đã có từtrước đó

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đócác thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏcác thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kíchthước Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch

in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết

bị đầu cuối, …; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên Cũng bởi lí do này,

kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhànghiên cứu anten

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn cácyêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM(Global System for Mobile communication,890–960MHz), DCS (Digital CommunicationSystem, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz)

và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã đượcphát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan

Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp, và mở rộng băng thông thường là nhu cầuđối với các ứng dụng thực tế hiện nay Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băngthông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải

Đồ án tập trung tìm hiểu và thiết kế một Boadband Planar Monopole Antennas.Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng

Đồ án gồm 2 chương :

Chương 1: Lý thuyết chung về anten

Chương 2: Boadband Planar Monopole Antennas

Do thời gian có hạn nên em chỉ tìm hiểu sơ qua về lý thuyết anten nói chung vàBoadband Planar Monopole Antennas nói riêng, đồng thời thiết kế và mô phỏng 1 antenđơn giản Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi sai sót, mong các thầy

cô góp ý và giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt hơn

Em xin cảm ơn thầy cô và bạn bè đã giúp em hoàn thành đồ án này !

MỤC LỤC

39

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Chức năng của anten.

Hình 1.2: Một số loại anten khác nhau.

Hình 1.3: Các trường bức xạ tại khu xa.

Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten.

Hình 1.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten.

Hình 1.6: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính.

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten.

(b) Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó Hình 1.7: Các vùng trường của một anten.

(a) Sự quay của vector điện trường (b) Phân cực elip ở z = 0.

Hình 1.8: Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian Hình 2.1: (a) MSA treo trong không khí, (b) Sửa đổi nguồn cấp dữ liệu của MSA, (c) Planar Monopole Antenna

Hình 2.2: Mặt bên và mặt trước của RMSA.

Hình 2.3: VSWR và trở kháng đầu vào đo được.

Bảng 2.1: Tần số cộng hưởng và tỉ lệ % BW của RMSA với L=W=12cm

đối với các giá trị h khác nhau.

Hình 2.4:(a)Trở kháng đầu vào;(b)VSWR đối với h=18cm ( -) và h=∞( ) Hình 2.5: Trở kháng đầu vào và VSWR đối với p=0.05cm ( -) và p=0.2cm ( ) Hình 2.6: Trở kháng đầu vào; VSWR đối với W=4.5cm ( -) và W=3.5cm ( ) với L=4.5cm và p=0.2cm.

Hình 2.11: (a) Anten TMA; (b) Anten TMB.

Hình 2.12: (a) Anten HMA ;(b) Anten HMB.

Hình 2.13: Kết quả đo VSWR của 2 loại anten HMA( ), HMB( ).

Hình 3.14: Trở kháng đầu vào và VSWR của anten CM.

Hình 2.15: Trở kháng đầu vào và VSWR của (a) EM1A và (b) EM1B.

Hình 2.16: VSWR đối với các loại anten EM có tỉ lệ ellipticity ( a/ b ) khác nhau :

(a) EMA và (b) EMB

( )tỉ lệ 1.2;( )tỉ lệ 1.3;( )tỉ lệ 1.4.

Bảng 2.3: So sánh BW và VSWR của CM và các EM khác nhau.

Hình 2.18: Trở kháng đầu vào và VSWR của anten RM

Với L=28 cm, W=22 cm và p=0.7 cm.

Hình 2.19: Giá trị S 11 đối với p=0.1cm và các giá trị d= 3cm và d=5cm.

Hình 2.20: Giá trị S 11 đối với p=0.2 cm và các giá trị d= 3cm, d=5cm và d=7cm Hình 2.21: Giá trị S 11 đối với p=0.3 cm và các giá trị d= 3cm, d=5cm và d=7cm Hình 2.21: Hình mô phỏng bằng HFSS

Hình 2.22: Kết quả mô phỏng S 11

1. THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN:

1.1. Giới thiệu:

 Khái niệm:

Anten là thiết bị có thể bức xạ ( anten phát) hoặc thu nhận ( anten thu) sóng điện từ

trong không gian Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do vàthiết bị dẫn sóng (guilding device)

 Phân loại anten:

 Về chức năng, có 2 loại anten cơ bản là anten phát và anten thu:

• Anten phát : Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện từ tự dolan trong không trung

• Anten thu: Tập trung sóng điện từ lan trong không trung thành tín hiệu điện caotần đưa đến máy thu

Hình 1.1: Chức năng của anten.

 Phân loại theo hình dạng:

• Anten dây: dipole ( lưỡng cực), loop (vòng), helix (lò xo),

• Độ mở của anten : horn (loa), slot (khe),

• Printed antennas : patch (bảng), spiral (xoắn),

 Phân loại theo độ lợi:

• Độ lợi lớn : Anten đĩa

• Độ lợi trung bình: Horn

• Độ lợi bé : diople, loop, slot, patch

Ngoài ra còn có phân loại theo búp sóng, băng thông,

Hình 1.2: Một số loại anten khác nhau.

1.2. Các tham số cơ bản của anten:

Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạsóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần

số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, …

1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten :

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra: Một trường làtrường cảm ứng (trường khu gần), trường này ràng buộc với anten; còn trường kia làtrường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của cáctrường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten Tại khu xa,chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và

từ trường (xem Hình 1.3)

Hình 1.3: Các trường bức xạ tại khu xa.

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trườngđiện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do.Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường ở khu xa là các sóng phẳng Khisóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớnhơn Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách

từ điểm khảo sát tới nguồn tăng

1.2.2. Giản đồ bức xạ :

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồxác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặctính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thểhiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian”.Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là sựphân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàmcủa vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độthường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong Hình 1.4

Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten.

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thường chỉquan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của φ , và giản đồ là hàmcủa φ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết

 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng Mặc

dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sửdụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực Antenhướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vàihướng hơn các hướng còn lại

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình 1.5 Tanhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth

plane) với [ f(φ), θ =π /2 ] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g (θ), φ= const ]

Hình 1.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten.

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạcực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ trường và hướngbức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế nào để ít nhất mộttrong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặtphẳng x hay y hay z)

 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính:

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các thùy (lobe)

có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 1.6(a) minh họagiản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường độ bức xạ lớnhơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy Hình 1.6(b) thể hiệngiản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 1.6(a))

Hình 1.6: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính.

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten.

(b) Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó.

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính) được định nghĩa là “thùy chứa hướng bức

xạ cực đại” Trong Hình 1.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ =0 Có thể tồn tại nhiềuhơn một thùy chính Thùy phụ là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính Thường thường,thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính.Thùy sau là “thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 độ so với thùy chính.Thường thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với thùy chính

Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng không mong muốn, và chúng phải đượctối thiểu hóa Thùy bên thường là thùy lớn nhất trong các thùy phụ Cấp của thùy phụđược thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất theo hướng của thùy đó với mật độ côngsuất của thùy chính Tỉ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên

 Trường khu gần và trường khu xa :

Không gian bao quanh một anten được chia thành 3 vùng; (a) trường gần tác động trởlại (reactive near-field), (b) trường gần bức xạ (radiating near-field, Fresnel) và (c) trường

xa (Fraunhofer) như chỉ ra trong hình 1.7

Vùng trường gần tác động trở lại (reactive near-field region) được định nghĩa

là “phần không gian trường gần trực tiếp bao quanh anten, xét ở khía cạnh trường tácđộng trở lại chiếm ưu thế” Trường này giàng buộc với nguồn bức xạ và trao đổi nănglượng với nguồn Với các anten, biên của vùng này được tính tại khoảng cách R < 0.62tính từ mặt phẳng anten, ở đó λ là bước sóng và D là đường kính lớn nhất của anten

Hình 1.7: Các vùng trường của một anten.

Vùng trường gần bức xạ (radiating near-field (Fresnel) region) được định nghĩalà“phần không gian nằm giữa trường gần tác động trở lại và trường xa, xét ở khía cạnhtrường bức xạ chiếm ưu thế” Nếu đường kính cực đại của anten không lớn hơn so vớibước sóng, vùng này không tồn tại Biên trong được tính ở khoảng R ≥0.62và biên

ngoài ở khoảng cách R < 2D 2 / λ, trong đó D là kích thước lớn nhất của anten

Vùng trường xa (Far-field (Fraunhofer) region) Nếu anten có kích thước lớn nhất là

D (D phải lớn hơn bước sóng, D > λ), vùng trường xa thường được xem là tồn tại ở khoảng cách lớn hơn 2D 2 / λ tính từ anten Trong vùng này, trường là trường điện từ ngang Biên bên trong được xem như ở khoảng cách R = 2D 2 / λ và biên ngoài ở vô cực.

Trong vùng trường xa, dạng của giản đồ bức xạ hầu như không thay đổi khi dịch chuyểnđiểm quansát ra xa dần

1.2.3. Cường độ bức xạ :

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “năng lượngđược bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc” Cường độ bức xạ là tham số trường xa, vàđược tính bằng cách đơn giản là nhân mật độ bức xạ với bình phương của khoảng cách Trong đó: U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

là mật độ bức xạ (W/m2)

Cường độ bức xạ cũng có quan hệ với điện trường trong trường xa của anten bởi:

Trong đó: η là trở kháng sóng của môi trường

là cường độ điện trường trong trường xa của anten.

E θ , E φ là các thành phần điện trường trong trường xa của anten

1.2.4. Hệ số định hướng:

Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độ bức xạ theomột hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường độbức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho 4π Nếu hướng khôngđược xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn”

Đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính bằng với tỉ lệ củacường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳnghướng (U0):

Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau:

Trong đó: D là hướng tính (không có thứ nguyên)

D0 là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

Umax là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc)

U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc)

Prad là tổng công suất bức xạ (W)

Với nguồn đẳng hướng, ta thấy rằng hướng tính bằng 1 khi U, Umax và U0 bằng nhau Với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ số định hướngriêng (partial directivity), theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước, là tỉ lệcủa cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức

xạ trung bình trên tất cả các hướng Với định nghĩa này, thì theo một hướng cho trước

“hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng riêng” Trong hệ tọa độ cầu,hướng tính cực đại D0 với các thành phần tọa độ θ và φ của anten có thể được viết là:

1.2.5. Hệ số tăng ích :

Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích của

anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính toán hiệu suất của antencũng như khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện được đặctính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của antenthực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vôhướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai antenbằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)

Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chia cho4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằng công suất đặt vào anten) Do đó, ta có:

Từ đó suy ra:

Tổng công suất bức xạ (Prad) có quan hệ với tổng công suất đặt vào anten (Pin) bởi:

Trong đó, e cd là hiệu suất bức xạ của anten (không thứ nguyên) Thay vào tính G ta có:

Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bởi tỉ lệ phần trăm của sự sai khác tần số

(tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông Ví dụ, băng thông 5%thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông.

Bởi vì các đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phân cực, …của anten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định nghĩa băng thôngkhác nhau Tùy từng ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn thếnào cho phù hợp

1.2.7. Phân cực:

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là phân cựccủa sóng được truyền đi bởi anten Chú ý: khi không đề cập tới hướng nào, phân cựcđược xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại”

Một đường vạch theo bởi đầu mút của vector điện trường là hàm của thời gian đượcthể hiện trong Hình 1.8(a) và (b)

Hình 1.8: Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian.

(a) Sự quay của vector điện trường (b) Phân cực elip ở z = 0.

Phân cực phân thành 3 loại: thẳng, tròn và ellip Nếu đầu mút vector điện trường ởmột điểm trong không gian luôn hướng theo một đường thẳng, trường này được gọi làphân cực tuyến tính Tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra là một elip, và trườngđược gọi là phân cực ellip Phân cực tuyến tính và tròn là truờng hợp đặc biệt của phâncực elip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ (clockwise, CW) gọi

là phân cực phải và ngược kim đồng hồ (counterclockwise, CCW) gọi là phân cực trái.1.2.8. Trở kháng vào:

Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nóhay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng củađiện trường so với từ trường ở một điểm” Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếutới trở kháng vào tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào này,không có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

Trong đó, là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω)

là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

Nói chung, thành phần điện trở bao gồm 2 thành phần là:

Trong đó, là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten

trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số Do đó, anten chỉ đượcphối hợp tốt với đường cấp nguồn chỉ trong cùng một dải tần nào đó Thêm nữa, trởkháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng của anten, phương phápcấp nguồn cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng bao quanh nó Do sự phức tạp củachúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ Vớicác loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm

2 BROADBAND PLANAR MONOPOLE ANTENNAS:

2.1. Giới thiệu:

Ta đã biết rằng BW của MSA tăng lên cùng với sự gia tăng độ dày chất nền vàgiảm hằng số điện môi của chất nền Đối với một chất nền dày với một hằng số điện môithấp, BW từ 5% đến 10% thu được Việc tăng thêm độ dày chất nền làm giảm hiệu quả

loại bức xạ trong không khí ở độ cao h lớn như trong Hình2.1(a) h lớn làm tăng độ tựcảm thăm dò và trở kháng đầu vào Trở kháng đầu vào có cảm ứng lớn này có thể đượcđiều chỉnh cho phù hợp bằng cách cho khoảng cách các đĩa kim loại với đầu trục kim loại

có chiều dài p ngắn hoặc dài hơn như trong Hình 2.1(b) Trong trường hợp này, các đĩakim loại được đưa dọc theo rìa với mặt phẳng mặt đất Nếu h là rất lớn, các mặt phẳngmặt đất phía dưới sẽ có ảnh hưởng không đáng kể và do đó có thể được gỡ bỏ Cấu trúcnày sẽ trở thành tương tự như một Planar Monopole Antenna, được thể hiện như trongHình 2.1(c)

Hình 2.1: (a) MSA treo trong không khí, (b) Sửa đổi nguồn cấp dữ liệu của MSA,

(c) Planar Monopole Antenna.

Planar Monopole Antennas có BW rất lớn, có thể được giải thích trong hai cách sauđây:

 Planar Monopole Antennas thường bao gồm một đầu trục kim loại dọc mỏng gắn trênmặt phẳng nối đất, có BW tăng lên cùng với sự gia tăng đường kính của nó MộtPlanar Monopole Antennas có thể tương đương với một Monopole Antennas hình trụvới đường kính lớn có cùng hiệu quả