Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu, thiết kế mở rộng băng thông cho anten vi dải

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................I
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.............................................................................II
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................IV
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................3
CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI.......................................................4
1.1

Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna)..............................................4

1.2

Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải...........................................................5

1.3


Một số loại anten vi dải thông dụng.............................................................6

1.3.1 Anten patch vi dải.............................................................................................6
1.3.2 Anten khe mạch in............................................................................................7
1.3.3 Anten vi dải lưỡng cực......................................................................................8
1.3.4 Anten vi dải sóng chạy......................................................................................8
1.4

Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải........................................................9

1.4.1

Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải.........................................................9

1.4.2

Tiếp điện bằng probe đồng trục..................................................................10

1.4.3

Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling)......................11

1.4.4

Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling)....................11

1.5

Anten patch hình chữ nhật.........................................................................12

1.6

Nguyên lý bức xạ anten vi dải.....................................................................14

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



1.7

2

Các mô hình phân tích anten vi dải............................................................16

1.7.1

Mô hình đường truyền (Transmission line)................................................16

1.7.2

Mô hình hốc cộng hưởng...........................................................................20

1.8

Các thông số khác của anten vi dải............................................................23

1.8.1

Băng thông của anten vi dải.......................................................................23

1.8.2

Phân cực của anten vi dải...........................................................................24

1.8.3

Độ định hướng của anten vi dải.................................................................24

1.9

Kết luận chương..........................................................................................24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG............................................................................26
2.1

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế anten...................................26

2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số chất nền............................................................26
2.1.2 Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp.........................................................27
2.1.3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp............................................................27
2.2

Kỹ thuật mở rộng băng thông....................................................................28

2.2.1 Kỹ thuật kích thích đa mode...........................................................................28
2.2.2 Tăng độ dày chất nền......................................................................................30
2.2.3 Kỹ thuật DGS.................................................................................................30
2.3

Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản.................................................31

2.3.1 Thiết kế thành phần bức xạ.............................................................................31
Tính toán kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo công thức
sau:.......................................................................................................................... 31

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

2.3.2 Thiết kế đường truyền vi dải...........................................................................32
2.3.3 Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng...........................................34
2.4

Kết luận chương..........................................................................................35

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG..............................36
3.1

Giới thiệu phần mềm mô phỏng CST........................................................36

3.2

Mục tiêu thiết kế..........................................................................................37

3.3

Cấu trúc thiết kế..........................................................................................37

3.4

Tính toán thiết kế........................................................................................37

3.5

Kết quả mô phỏng.......................................................................................40

3.6

Đánh giá.......................................................................................................44

3.7

Kết luận chương..........................................................................................45

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI....................................45
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................47

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

CST

Computer simulation technology

Phần mềm mô phỏng công
nghệ trên máy tính

GSM

Global system for mobile communication

Hệ thống thông tin di động
toàn cầu

GPS

Global positioning system

Hệ thống định vị toàn cầu

MPA

Microstrip patch antenna

Anten bức xạ vi dải

CPW

Coplanar waveguide

ống dẫn sóng đồng phẳng

GND

Ground

Đất

MTA

Microstrip traveling – wave antenna

Anten vi dải sóng chạy

TM

Transverse magnetic

Từ trường ngang

BW

Bandwidth

Băng thông

DGS

Defected ground structure

Cấu trúc mặt đấu khuyết
thiếu

HPBW

Half power beam width

Độ rộng búp sóng nửa công
suất

WLAN

Wireless local area network

Mạng cục bộ không dây

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢN
Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ.....................................................................4
Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng...............................................................5
Hình 1.3 Anten patch vi dải.......................................................................................7
Hình 1.4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải..................................7
Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in...............................................................8
Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực................................................................................8
Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy................................................................................9
Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải..........................................................10
Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục....................................................................11
Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe...................................................11
Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần...................................................12
Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật......................................................................13
Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía.......................................17
Hình 1.14 Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp...........................19
Hình 1.15 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật............20
Hình 1.16 Mô hình hốc cộng hưởng........................................................................21
Hình 1.17 Các mode của anten vi dải patch hình chữ nhật......................................23

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

Y
Hình 2. 1 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở
kháng.......................................................................................................................26
Hình 2. 2 Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe......................................29
Hình 2. 3 Một số khuôn mẫu DGS..........................................................................31
Hình 2. 4 Tính toán trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải...........................34
Hình 3. 1 Giao diện phần mềm CST.........................................................................36
Hình 3. 2 Hình dạng anten vi dải hình chữ nhật tiếp điện bằng đường vi dải cắt sâu
................................................................................................................................. 38
Hình 3. 3 Cấu trúc 3D anten vi dải ban đầu.............................................................39
Hình 3. 4 Anten vi dải sau khi kết hợp cấu trúc DGS dạng 3D và mặt sau anten....39
Hình 3. 5 Tần số cộng hưởng tính theo lý thuyết bị lệch.........................................40
Hình 3. 6 Thông số S11 của anten vi dải với f= 5,25 GHz........................................40
Hình 3. 7 Bức xạ 3D và 2D của anten ban đầu........................................................41
Hình 3. 8 Tham số VSWR của anten vi dải.............................................................41
Hình 3. 9 Anten với độ dày chất nền thay đổi h=2,2 mm và h=2,6mm....................42
Hình 3. 10 Anten với DGS ở dưới giữ nguyên độ dày h..........................................42
Hình 3. 11 Anten với DGS ở bên trái patch và giữ nguyên độ dày h.......................43
Hình 3. 12 Tham số S11 của anten vi dải sau cải thiện băng thông...........................43
Hình 3. 13 Đồ thị bức xạ và hiệu suất của anten vi dải dạng 3D và trong mặt phẳng
E sau khi cải thiện băng thông.................................................................................44

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4

Hình 3. 14 Tham số VSWR của anten vi dải sau khi cải thiện băng thông..............44

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Bảng so sánh băng thông của các hình dạng patch tại VSWR=2................27
Bảng 2 Các thông số đầu vào của anten vi dải.........................................................37
Bảng 3 Các thông số thiết kế anten vi dải................................................................37
Bảng 4: Thông số kích thước của cấu trúc DGS......................................................39
Bảng 5 So sánh các thông số của anten vi dải ban đầu và anten cải thiện băng thông
................................................................................................................................. 44

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


LỜI MỞ ĐẦU
Cho đến thời điểm hiện tại không thể phủ nhận vai trò quan trọng của truyền
thông vô tuyến và các thiết bị liên quan, nó gắn liền với cuộc sống hàng ngày và phủ
sóng khắp toàn cầu, những năm gần đây sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến
đã thúc đẩy sử phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến, cùng với sự phát triển
đó thì anten - thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống viễn thông nào cũng
không ngừng được quan tâm nghiên cứu phát triển để phù hợp với các thiết bị thông
tin vô tuyến hiện đại.
Những nghiên cứu về anten mang ý nghĩa hiệu quả truyền thông vô tuyến
được quan tâm nhất đầu tiên phải kể đến là anten vi dải . Nhờ các ưu điểm nối bật
như: có kích thước mỏng, nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ dàng sản xuất, dễ phối hợp
trở kháng và dễ tích hợp các cấu trúc trên bề mặt, mà anten vi dải đã được lựa chọn
làm anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến như: Điện thoại di động cầm tay, các
kỹ thuật lường từ xa, các mạng wifi... Tuy nhiên anten vi dải lại có hạn chế lớn về
mặt băng thông, băng thông rất hẹp trong khi rất nhiều ứng dụng hiện nay đòi hỏi
anten phải có kích thước nhỏ, băng thông rộng và đồng thời lại có khả năng hoạt
động tại nhiều dải tần khác nhau.
Với những yêu cầu thực tế trên, em lựa chọn đề tài ‘’Nghiên cứu thiết kế
anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến’’ làm đồ án tốt nghiệp mình,
đồ án sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng anten. Nội dung của báo cáo
đồ án được chia làm ba chương:
Chương 1: Sơ lược về anten vi dải
Chương 2: Phân tích phương pháp tính tính toán, thiết kế anten vi dải băng
rộng
Chương 3: Thiết kế, mô phỏng anten vi dải băng rộng bằng phần mềm CST
Do một vài yếu tố khách quan và chủ quan nên bản báo cáo vẫn còn tồn tại
nhiều hạn chế. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các
bạn để bài báo cáo của em được hoàn thiện hơn nữa.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2

Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018
Sinh viên thực hiên

Lê Thị Hoài

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em muốn được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn
của em là cô Hoàng Thị Phương Thảo – giảng viên Trường Đại học Điện Lực đã tận
tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô giáo trong và
ngoài trường Đại học Điện Lực đã giảng dạy em trong 4,5 năm qua, những kiến
thức và kinh nghiệm quý báu mà thầy cô đã truyền đạt cho em trên giảng đường đại
học là nền tảng giúp em hoàn thành bài báo cáo này và là hành trang vững chắc cho
em trong bước đường tương lai.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông đã
tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án của mình.
Trong quá trình thực tập khó có thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong
nhận được sự góp ý của thầy cô cũng như của các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI
1.1

Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna)
Các khái niệm đầu tiên về anten vi dải được khởi xướng bởi Deschamps vào

năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955. Nhưng phải 20 năm sau, một anten
ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo.
Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch (mặt bức xạ) rất
mỏng với bề dày t<< : bước sóng không gian tự do nằm trên Dielectirc Substrate
(lớp chất nền điện môi) có <=10 , phía đối diện với patch là Ground Plane (mặt
phẳng đất). Patch là vật dẫn điện, thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất
kỳ.

Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác.
Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vuông, hình
chữ nhật, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5

Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng
 Một số ứng dụng của anten vi dải:

1.2

-

Các anten dùng trong thông tin vô tuyến.

-

Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ.

-

Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị.

-

Vũ khí thông minh .

-

Sử dụng cho GSM hay GPS.

Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải
Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten vi sóng thông thường và các

ứng dụng của nó trải khắp dải tần số 100MHz-100GHz.
 Anten vi dải có các ưu điểm [3]:
-

Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng.

-

Chí phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt.

-

Phân cực tuyến tính và phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn
giản.

-

Anten hoạt động ở nhiều tần số kép và anten phân cực kép có thể thực
hiện dễ dàng.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6

-

Có thể dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp vi sóng.

-

Các đường tiếp điện và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể được
cùng thiết kế trên một cấu trúc anten.

-

Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng.

-

Tương thích với các thiết bị di động.

 Nhược điểm của anten vi dải [3]
-

Có băng thông hẹp.

-

Độ lợi thấp (thường nhỏ hơn 10 dB).

-

Suy hao lớn trong cấu trúc tiếp điện của các anten mảng.

-

Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt
phẳng đất.

-

Khả năng tản nhiệt của anten vi dải kém.

-

Các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các mối nối còn
khá nhiều.

-

Khả năng điều khiển điện áp thấp.

-

Độ lợi và hiệu suất giảm, mức độ phân cực chéo cao với anten mảng ở
tần số cao.

1.3

Xuất hiện sóng bề mặt.

Một số loại anten vi dải thông dụng

1.3.1 Anten patch vi dải
Anten patch vi dải (Microtrip patch antenna: MPA) bao gồm một patch dẫn
điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của đế điện môi và
mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7

Hình 1.3 Anten patch vi dải
Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó, anten
patch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vuông, chữ nhật, tròn,...) nhưng đặc tính bức
xạ của chúng hầu như giống nhau. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có
dạng hình chữ nhật và hình tròn là hai dạng thông dụng và được sử dụng rộng rãi
[3].

Hình 1.4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải
1.3.2 Anten khe mạch in
Anten khe mạch in (Printed slot antenna) có cấu tạo gồm một khe trong mặt
phẳng đất của một đế được nối đất, khe này có nhiều hình dạng khác nhau: hình chữ
nhật, hình tròn,... Anten này có thể được tiếp điện bằng sóng dẫn phẳng hay đường
truyền vi dải, bức xạ theo hai hướng hay trên cả hai mặt của khe [3].

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8

Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in
1.3.3 Anten vi dải lưỡng cực
Anten vi dải lưỡng cực có hình dạng giống với anten patch hình chữ nhật
những khác nhau ở tỉ số L/W. Chiều rộng của anten lưỡng cực so với anten patch
thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do.
Đồ thị bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch vi dải giống nhau
nhưng có các đặc tính khác nhau như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân
cực chéo.
Anten vi dải lưỡng cực thích hợp với các ứng dụng tần số cao do chúng sử
dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối nên đạt được băng thông đáng kể [3].

Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực
1.3.4 Anten vi dải sóng chạy

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9

Anten vi dải sóng chạy (Microtrip traveling-Wave antenna: MTA) gồm các
dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải đủ dài và rộng để có thể hỗ trợ chế độ
truyền TE. Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được mắc tải có
điện trở được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten [3].

Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy
1.4

Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải
Hiện nay, các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là:

cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperturecoupling),ghép gần (proximiti-coupling).
1.4.1

Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải
Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất

trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần. Đường truyền vi dải
là cấu trúc mạch in cấp cao, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại
khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi
là mặt phẳng đất. Mặt phẳng đất là mặt phản xạ do đó đường truyền vi dải có thể
được xem là đường truyền gồm hai dây dẫn.
Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h.
Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền. Hai tham
số đôi khi có thể được bỏ qua là độ dày dải dẫn điện t và điện dẫn suất sigma.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10

Feed

Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải
1.4.2

Tiếp điện bằng probe đồng trục
Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền

tải công suất cao tần. Phương pháp này, phần lõi của đầu feed được nối với patch,
phần ngoài nối với mặt phẳng đất của anten vi dải.
 Ưu điểm:
-

Đơn giản trong quá trình thiết kế.

-

Có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ phối hợp trở
kháng.

 Nhược điểm:
-

Vì dùng đầu feed hàn vào patch nên có phần dư ra phía ngoài làm anten
không hoàn toàn phẳng và mất tính đối xứng.

-

Khi cần cấp nguồn trong thiết kế mảng sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng
lên gây khó khăn cho việc thiết kế và giảm độ tin cậy.

-

Khi cần tăng băng thông của anten đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền dẫn
đến bức xạ rò và điện cảm của probe tăng lên và tăng chiều dài lõi cáp.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11

Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục
1.4.3

Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling)
Phương pháp này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ bức xạ không cần

thiết của đường vi dải. Cấu trúc gồm hai lớp điện môi, patch được đặt trên cùng,
mặt phẳng đất ở giữa có một khe hở nhỏ, khe ghép luôn đặt dưới và chính giữa bản
kim loại nhằm giảm phân cực chéo do tính đối xứng, đường tiếp điện ở lớp điện
môi dưới.

Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe
 Ưu điểm: thông thường lớp điện môi trên có hằng số điện môi thấp hơn lớp
điện môi dưới nên hạn chế bức xạ không mong muốn.
 Nhược điểm: phương pháp khó thực hiện do phải làm nhiều lớp, làm tăng độ
dày của anten. Phương pháp sử dụng cho băng hẹp.
1.4.4

Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling)
Bản chất của phương pháp là ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và

patch. Cấu trúc này gồm hai lớp điện môi, đường patch nằm ở miếng điện môi trên
đường tiếp điện ở giữa hai lớp điện môi.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12

Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần
 Ưu điểm:
-

Loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện.

-

Cho băng thông rộng (khoảng 13%).

 Nhược điểm:
-

Khó khăn trong việc thiết kế và thi công vì đường tiếp điện nằm trong
hai lớp điện môi và làm anten có chiều dày hơn.

1.5

Anten patch hình chữ nhật
Anten patch hình chữ nhật là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một

phiến dẫn điện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất. Có nhiều phương pháp tiếp
điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường
truyền vi dải. Phần tiếp điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra khỏi patch.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13

(a)

(b)

(c)

Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật
(a)

Phân bố trường ở mode cơ bản

(b)

Phân bố dòng trên bề mặt patch

(c)

Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (Z) theo chiều dài patch

Hình 12. a, điện trường bằng không ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một
cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện. Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực
tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten. Điện trường mở rộng
ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi- không khí. Thành phần điện trường mở
rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ. Một
số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng
rò. Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hóc cộng hưởng là mode TM10.
Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn. TM tượng trung cho phân bố từ trường
ngang, có 3 thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và
y trong hệ tọa độ Đề các, trục x và y song song với mặt phẳng đất, trục z vuông góc
với mặt phẳng đất. Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

14

trục z coi như không đáng kể. Do đó, kí hiệu TM nm chỉ sự biến đổi của trường theo
hướng x và y, sự biến đổi của trường theo hướng y không đáng kể nên m=0, trường
biến đổi chủ yếu theo hướng x nên ở mode cơ bản n=1.
Hình 12- b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường)
trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải,
trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần
cạnh phải. Từ biên độ của dòng áp ta có thể tìm được trở kháng. Trở kháng đạt cực
tieru ở giữa patch và cực đại ở gần hai cạnh. Có một điểm nằm ở vị trí dọc theo trục
x tại đó trở kháng là 50 Ohm ta có thể đặt tiếp điện tại đó.
1.6

Nguyên lý bức xạ anten vi dải
Lựa chọn đế điện môi sử dụng có bề mặt mỏng và hệ số điện môi tương đối

cao giúp bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn. Vì thế, trong một
anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp. Bức xạ anten
vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới
dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch.
Xem anten vi dải như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều
rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L, trường bức xạ anten vi dải chính là
tổng trường bức xạ từ hai phần tử mảng, trong đó mỗi phần tử biểu diễn cho một
khe. Khi hai khe giống nhau ta có thể tính trường tổng cộng bằng cách dùng hệ số
mảng cho hai khe.
Trường điện vùng xa bức xạ bởi mỗi khe được tính theo mật độ dòng tương
đương như sau:
(1-1)
(1-2)
(1-3)
(1-4)

Với
Khi chiều cao rất nhỏ (k0h <<1), công thức trên được rút gọn còn:

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15

(1-5)

Trong đó V0 = hE0 là điện áp qua khe.
Hệ số mảng cho hai thành phần cùng biên độ và pha lệch nhau một khoảng
cách Le dọc theo hướng y là :
(1-6)
Với Le là chiều dài hiệu dụng. Khi đó tổng trường điện cho hai khe (cũng như
cho anten vi dải) là :
(1-7)

Với

Khi (k0h << 1) thì công thức trên trở thành:
(1-8)
 E - plane )
Đối với anten vi dải, mặt phẳng x-y () là mặt phẳng I chính và trong mặt
phẳng này trường bức xạ ở công thức trên trở thành:
(1-9)
 H - plane
Mặt phẳng H chính của anten vi dải là mặt phẳng x-z (

) và trong mặt

phẳng này trường bức xạ ở (1.35) trở thành :

(1-10)

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.7

16

Các mô hình phân tích anten vi dải

1.7.1

Mô hình đường truyền (Transmission line)
Anten vi dải hình chữ nhật có hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truyền vi

dải, những anten loại này có thể được mô hình như một phần của đường truyền
sóng. Mô hình đường truyền sóng là một trong những mô hình trực quan nhất trong
phân tích anten vi dải và nó tương đối chính xác với lớp điện môi mỏng. Mô hình
đường truyền sóng rất đơn giản và hữu ích trong việc xem xét hoạt động cơ bản của
anten vi dải. Mô hình này xem anten vi dải như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp,
mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L [2].
 Hiệu ứng viền
Trường tại gờ của patch bị viền do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều
dài và chiều rộng, viền là một hàm theo kích thước của patch, chiều cao của lớp
điện môi và hằng số điện môi. Hiệu ứng viền ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng
hưởng của anten.
Hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp nền và phần của một số
đường nằm ở ngoài không khí. Khi L/h>>1, >>1, những đường sức điện tập trung
đa phần trong lớp nền điện môi. Hằng số điện môi hiệu dụng dược sử dụng để hiệu
chỉnh các ảnh hưởng của hiệu ứng viền đối với sóng trên đường truyền.
Giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải với kích thước và chiều cao trên mặt
phẳng đất ban đầu của nó được đưa vào một lớp điện môi đồng nhất. Hằng số điện
môi hiệu dụng là hàm của tần số, khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đường sức
điện trường tập trung trong lớp nền điện môi. Vì vậy đường truyền vi dải gần giống
với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hằng số điện môi hiệu dụng tiến
tới giá trị hằng số điện môi nền.
Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là ε cơ bản, tần số tăng thì hằng số
điện môi hiệu dụng càng tiến tới giá trị hằng số điện môi của chất nền.
Hằng số điện môi hiệu dụng được tính theo công thức sau:

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

17

(1-11)

 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng
Trong mặt phẳng Oxy do hiệu ứng viền, kích thước patch của anten vi dải về
mặt điện lớn hơn so với kích thước vật lý. Do đó chiều dài điện của patch vượt so
với chiều dài vật lý một khoảng L về mỗi phía và được tính theo công thức:
(1-12)
Khi đó, chiều dài của patch lúc này sẽ là:

Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía
Giả sử, mode ưu thế là TM010 tần số cộng hưởng của anten vi dải là hàm của
chiều dài:
(1-13)
Với là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do. Do hiệu ứng viền, nên công
thức được thay thế bằng:
(1-14)

Hệ số q là hệ số suy giảm chiều dài. Khi độ dày lớp nền điện môi tăng, hiệu
ứng viền tăng dẫn đến sự khác biệt giữa những bức xạ rìa và các tần số cộng hưởng
thấp hơn.
 Điện dẫn
Anten gồm hai khe bức xạ, mỗi khe được diễn tả bởi một dẫn nạp Y (với điện
dẫn G và điện nạp B),trong đó cho một khe với bề rộng hữu hạn:

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×