ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ Thiết kế ANTEN VI DẢI hình chử nhật vói dãi tần số hoạt động 2.4-2.48GHz
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ.. 1
1.1 Giới thiệu chương. 1
1.2 Sóng điện từ.. 1
1.3 Tính chất của sóng điện từ.. 1
1.4 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng. 2
1.4.1 Một số nguyên lý cơ bản của trường điện từ.. 2
1.4.2.1 Phân loại các loại sóng. 4
1.4.2.2 Truyền sóng trong không gian. 4
1.4.2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng. 6
1.4.2.4 Truyền sóng trong cáp quang. 6
1.5 Tương thích điện từ.. 7
1.5.1 Khái niệm về tương thích điện từ.. 7
1.5.2 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ.. 7
1.5.3 Các loại nhiễu điện từ trường. 8
1.5.3.1 Khái niệm.. 8
1.5.3.2 Các dạng của nguồn nhiễu như sau. 8
1.5.3.2.1 Nhiễu truyền dẫn. 8
1.5.3.2.2 Nhiễu trong thiết bị9
1.5.3.2.3 Nhiễu từ bên ngoài như do nhiệt độ, độ ẩm, sấp chớp. 9
1.6 Kết luận chương. 9
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN.. 10
2.1Giới thiệu chương. 10
2.2 Khái niệm về anten. 10
2.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.. 11
2.4 Nguyên lý bức xạ sóng điện từ từ một anten. 11
2.5 Các thông số cơ bản của anten. 12
2.5.1 Trở kháng vào của anten. 13
2.5.2 Hiệu suất của anten. 13
2.5.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích. 14
2.5.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten. 15
2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng. 16
2.5.6 Tính phân cực của anten. 16
2.5.7 Băng thông. 17
2.5.8 Các hệ thống anten. 18
2.6 Kết luận chương. 19
CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG VÀ ANTEN VI DẢI NHIỀU BĂNGTẦN.. 20
3.1 Giới thiệu chương. 20
3.2 Giới thiệu chung về anten vi dải20
3.3 Một số loại anten vi dải cơ bản. 21
3.4 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải:25
3.5 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải26
3.6 Tính phân cực của anten vi dải27
3.7 Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần.29
3.7.1 Dải thông tần. 29
3.7.2 Dải tần công tác. 30
3.8 Mở rộng băng thông của anten vi dải31
3.9 Ảnh hưởng các tham số chất nền tới băng thông. 32
3.10 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thức hợp. 34
3.11 Kỹ thuật kích thích đa mode. 35
3.11.1 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng 35
3.11.2 Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng.36
3.11.3 Các kỹ thuật kích thích đa mode khác. 38
3.12 Kết luận chương. 40
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG.. 41
4.1 Giới thiệu chung. 41
4.2 Xây dựng bài toán thiết kế. 41
4.2.1 Lựa chọn lớp điện môi42
4.2.2 Lựa chọn tần số cộng hưởng. 42
4.2.3 Tính chiều rộng của anten vi dải hình chữ nhật42
4.2.4 Tính hằng số điện môi hiệu dụng. 42
4.2.5 Tính chiều dài hiệu dụng của anten. 42
4.2.6 Tính chiều dài thực tế của anten vi dải42
4.2.7 Tính kích thước của mặt phẳng đất43
4.2.8 Tính trở kháng vào và độ định hướng. 43
4.2.7 Phối hợp trở kháng cho anten vi dải49
4.3 Thiết kế anten vi dải cho hệ thống wireless tần số 2.4 GHz và sau đó mở rộng ra tần số 5GHz 50
4.3.1 Tính toán thiết kế. 50
4.4 Mô phỏng bằng phần mềm CST studio. 52
4.5 Kết luận chương. 62
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 63
Tài Liệu Tham Khảo. 64
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sóng điện từ.. 1
Hình 1.2 Truyền sóng trong tầng đối lưu. 5
Hình1.3 Truyền sóng trong tầng điện ly. 5
Hình1.4 Một vài ống dẫn sóng. 6
Hình 1.5 Truyền sóng trong cáp quang. 6
Hình 1.6 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ.. 7
Hình 1.7 Nguồn phát- Đường dẫn- Máy thu. 8
Hình 2.1 Hệ thống anten thu và phát. 10
Hình2.2 Các trường bức xạ tại vùng xa. 12
Hình 2.3 Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực. 15
Hình 2.4 Đồ thị phương hướng trong tọa độ góc. 15
Hình 3.1 Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất. 20
Hình 3.2 (a). Các hình dạng của anten patch vi dải thường được sử dụng trong thực tế.22
Hình 3.2 (b). Các hình dạng kiểu khác cho anten patch vi dải.22
Hình 3.3 Một vài Dipole mạch in và vi dải23
Hình 3.4 Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện 24
Hình 3.5 Một vài cấu hình anten sóng chạy vi dải24
Hình 3.6 Tiếp điện bằng cáp đồng trục. 25
Hình 3.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục. 25
Hình 3.8 Tiếp điện bằng đường vi dải26
Hình 3.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng đường vi dải26
Hình 3.10 Tiếp điện bằng khe. 26
Hình 3.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe. 26
Hình 3.12 Trường bức xạ E và H của anten vi dải27
Hình 3.13: Tiếp điện bằng một đường vi dải28
Hình 3.14 Đồ thì bức xạ 3 chiều. 28
Hình 3.15 Tiếp điện bằng 2 đường vi dải vào 2 cạnh của anten. 28
Hình 3.16 Đồ thị bức xạ 3 chiều. 29
Hình 3.17 Băng thông củaanten. 30
Hình 3.18 Ảnh hưởng của độ dày chất nền và hằng số điện môi tới băng thông trở kháng ( VSWR < 2) và hiệu suất bức xạ. 32
Hình 3.19 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo hằng số điện môi chất nền..33
Hình 3.20 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày chất nền. .33
Hình 3.21 Một số anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng. 36
Hình 3.22 Anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng 38
Hình 3.23 Anten vi dải băng rộng sử dụng hai mode phân cực trực giao 39
Hình 3.24 Patch được cắt khe chữ U tạo ra hai tần số cộng hưởng và tăng băng thông 39
Hình 3.25 Patch được cắt khe chữ H.. 40
Hình4.1 Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền.44
Hình4.2 Vị trí điểm patch cho anten. 47
Hình 4.3 Cấu trúc 3 chiều của anten thiết kế ở băng tần 2.4 – 2.48GHz 53
Hình 4.4 Đáp ứng tần số của thông số S11. 53
Hình 4.5 Cấu trúc 3 chiều mặt trước của anten cần thiết kế. 55
Hình 4.6 Cấu trúc 3 chiều mặt ngang của anten cần thiết kế. 56
Hình 4.7 Đáp ứng tần số của thông số S11 ở tần số trung tâm 2.42 GHz 56
Hình 4.8 Đáp ứng tần số của thông số S11tại tần số trung tâm 5.5 GHz 58
Hình 4.9 Đồ thị bức xạ 3D tại tần số trung tâm 2.42 GHz. 60
Hình 4.10 Giản đồ bức xạ tọa độ cực của anten tại tần số trung tâm 2.42 GHz 60
Hình 4.11Giản đồ bức xạ tọa độ cực của anten tại tần số trung tâm 5.5 GHz 61
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. So sánh băng thông tại VSWR=2……………………………………... 35
Bảng 4.1 Các loại vật liệu điện môi thông dụng trong thiết kế anten vi dải… …...42
Bảng 4.2 Thông số tại tần số cộng hưởng 2.42 GHz……………………....... 54
Bảng 4.3 Thông số ở tần số trung tâm2.42GHz…………………………......57
Bảng 4.4 Thông số ở tần số trung tâm 5.5 GHz…………………………….....59
CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
GSM Global System for Mobile communication
DCS Digital Communication System
PCS Personal Communication System,
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
WLAN Wireless Local Area Network
EMC ElectroMagnetic Compatibility
EIRP Equipvalent isotropically radiated power
VLF Very low Freq
LF Low Freg
MF Medium Freg
HF High Freg
VHF Very High Freg
UHF Ultra High Freg
SHF Super High Freg
EHF Extremly High Freg
CST Computer simulation technology
LỜI NÓI ĐẦU
Truyền thông vô tuyến đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm nổi trội như: Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo. Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng.Dễ dàng chế tạo anten có thể hoạt động với nhiều dải tần. Anten vi dải đã và đang là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết bị di động ngày nay.
Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau năm 2000,có nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz),PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz) và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng là rất thích hợp đối với những ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).
Việc mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện naybởi vì anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp. Do đó, việc mở rộng băng thông và giảm kích thước đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Nhiều sự cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với cả hai loại phân cực, phân cực tròn và tăng ích cao đã được báo cáo trong một vài năm gần đây.
Đồ án tập trung thiết kế anten vi dải hình chữ nhật với dải tần số hoạt động : 2.4 – 2.48 GHz và 5.15 – 5.85 GHz. Đồng thời sử dụng phần mềm CST Studio để thiết kế và mô phỏng. Phần mềm CST với ưu điểm về giao diện đồ họa cũng như mô phỏng 3D sẽ giúp ta có cái nhìn trực quan về kết quả thu được.
Nội dung của đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ
Chương 2: Lý thuyết anten
Chương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần
Chương 4: Thiết kế và mô phỏng
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Lê Hùng đã hướng dẫn tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án, chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị và các bạn đã góp ý và động viên em sâu sắc.
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ
1.1 Giới thiệu chương
Chương này giúp cho chúng ta hiểu về sự hình thành và tính chất của sóng điện từ, hiểu thế nào là trường điện từ và những nguyên lý cơ bản của trường điện từ, sự lan truyền sóng trong các môi trường khác nhau nó khác nhau như thế nào, những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền sóng và cách khắc phục những yếu tố đó.
1.2 Sóng điện từ
- Sóng điện từ hình thành khi có sự dao động điều hòa của một điện tích điểm:
Khi tại một điểm bất kỳ nào đó có sự dao động điều hòa của một điện tích điểm với tần số f theo phương thẳng đứng nó tạo ra một điện trường biến thiên điều hòa với tần số f, điện trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ.
- Sóng điện từ là sự lan truyền của điện từ trường biến thiên tuần hoàn trong không gian theo thời gian.
1.3 Tính chất của sóng điện từ
- Sóng điện từ lan truyền trong môi trường không khí hay vật chất với vận tốc lan truyền bằng vận tốc của ánh sáng v=c=3.10^8 (m/s)
- Sóng điện từ là sóng ngang nên vecto từ trường,vecto điện trường vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng như hình:
Hình 1.1 Sóng điện từ
- Sóng điện từ có các tính chất của sóng cơ học: giao thoa, phản xạ, khúc xạ.
Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến được gọi là sóng vô tuyến.Sóng cực ngắn có tần số từ 100 MHz đến 1000 MHz được sử dụng nhiều trong truyền hình.
1.4 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng
1.4.1 Một số nguyên lý cơ bản của trường điện từ
- Khái niệm: Trường điện từ là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác của các hạt mang điện và là trường mà điện trường và từ trường có tính thống nhất.
- Các luận điểm trường điện từ của Maxwell:
+ Luận điểm thứ nhất:
- Phát biểu: Bất kỳ một từ trường nào biến thiên theo thời giam cũng sinh ra điện trường xoáy.
- Biểu thức: (1.1)
+ Luận điểm thứ hai:
- Phát biểu: Bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời giam cũng sinh ra điện từ trường.
- Biểu thức: (1.2)
+ Trường điện từ và hệ thống phương trình Maxwell
- Năng lượng trường điện từ:
Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ, là một đại lượng vật chất đặc trưng cho các hạt mang điện.
Mật độ năng lường trường từ: w = = (1.3)
Năng lượng trường điện từ: (1.4)
- Phương trình Maxwell- Faraday
Dạng tích phân: (1.5)
Dạng vi phân: (1.6)
- Phương trình Maxwell_Ampe
Dạng tích phân: (1.7)
Dạng vi phân: (1.8)
- Định lý Ostrograndski-Gauss với điện trường
Dạng tích phân: (1.9)
Dạng vi phận: (1.10)
- Định lý O-G với từ trường
Dạng tích phân: (1.11)
Dạng vi phân: (1.12)
- Các phương trình liên hệ giữa các đại lượng:
Điện trường tĩnh: (1.13)
Từ trường không đổi: (1.14) 1.4.2 Quá trình truyền sóng trong không gian
1.4.2.1 Phân loại các loại sóng
- Sóng cực ngắn: (λ=1m-10m): Có đặc điểm là không bị tầng điện ly phản xạ và có năng lượng cực lớn.
- Sóng ngắn: (λ=10m-100m): Có đặc điểm là bị tầng điện ly và mặt nước phản xạ mạnh và có năng lượng lớn
- Sóng trung: (λ=100m-1000m): Có đặc điểm là vào ban ngày bị tầng điện ly hấp thụ mạnh nên không thể truyền đi xa, và không bị hấp thụ bởi tầng điện vào ban đêm.
- Sóng dài: (λ=1km-10km): Có đặc điểm là có năng lương nhỏ do đó không truyền đi xa được, ít bị hấp thụ của nước nên thường dùng trong thông tin liên lạc ở trên mặt đất và nước.
1.4.2.2 Truyền sóng trong không gian
- Truyền sóng mặt đất: Là sự lan truyền dọc theo bề mặt Trái Đất,thì năng lượng truyền dẫn bị tiêu hao.Mức độ tiêu hao phụ thuộc vào các yếu tố sau: Sự hấp thụ của trái đất (phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất), phụ thuộc vào tần số,tần số càng cao thì suy hao càng mạnh,độ dẫn điện mạnh trên bề mặt biển làm cho cường độ tại điểm thu càng mạnh lên.Do đó, trong thực tế khi truyền sóng trên mặt đất người ta thường chọn sóng có tần số thấp.
- Truyền sóng trong tầng đối lưu: Tầng đối lưu là lớp khí quyển từ mặt đất lên tới độ cao khoảng (10-15) km.Càng lên cao mật độ phân tử khí càng giảm,làm thay đổi phương truyền của các phương sóng.Tầng này thích hợp cho truyền sóng ngắn.Sóng truyền trong tầng này chủ yếu bằng phương thức phản xạ và khúc xạ.
Hình 1.2 Truyền sóng trong tầng đối lưu
Cự ly truyền sóng cực đại trong tầng đối lưu là:
+
-Truyền sóng trong tầng điện ly: Tầng điện ly là tầng khí quyển nằm cao (60-400)km, miền này hấp thụ nhiều tia tử ngoại có năng lượng lớn, các tia này có tác dụng phân li các phân tử khí trở thành các ion tự do, ở tầng này mật độ phân tử khí giảm thấp. Khi tia sóng được phát lên tầng điện li thì cũng bị phản xạ bẻ cong và quay trở lại mặt đất do vậy rất thích hợp cho việc truyền sóng ngắn.
Hình1.3 Truyền sóng trong tầng điện ly
1.4.2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng
Hình1.4 Một vài ống dẫn sóng
Ống dẫn sóng có các đặc điểm sau:
- Sóng truyền trong ống dẫn sóng ở mode TM hoặc TE.
- Tổn thất thấp (ở tần số cao và công suất lớn).
- Ứng với mỗi mode sóng tồn tại một tần số tới hạn.
- Không thể hoạt động ở tần số thấp hơn tần số tới hạn, ứng dụng như một bộ lọc thông cao.
1.4.2.4 Truyền sóng trong cáp quang
Hình 1.5 Truyền sóng trong cáp quang
Trong cáp quang truyền truyền sóng dựa vào tính chất phản xạ toàn phần khi tia sáng đi từ môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường chiết suất bé hơn và góc tia tới lớn hơn góc tới hạn.
Các suy hao xuất hiện trong quá trình truyền sóng trong cáp quang
- Suy hao do tán xạ
- Suy hao do hấp thụ
- Suy hao do các mode rò rỉ
- Suy hao do ghép mode
- Suy hao do bị uốn cong
1.5 Tương thích điện từ
1.5.1 Khái niệm về tương thích điện từ
Tương thích điện từ là một thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà thiết bị điện, điện tử có được khi chúng vận hành tốt trong một môi trường có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có nhiễu từ xung quanh. Khi quan tâm EMC ta quan tâm đến: Phát xạ điện từ và độ nhạy nhiễu điện từ.
Yêu cầu giảm độ phát xạ và độ nhạy của thiết bị.
1.5.2 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ
Hình 1.6 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ
Theo mô hình như trên thì ta thấy có hai thiết bị A và B hoạt động trong cùng một môi trường.Vấn đề đặt ra là làm thế nào để hạn chế A và B gây nhiễu lẫn nhau và cũng không muốn nhiễu của môi trường bên ngoài tác động và hai thiết bị.
Khái niệm tương thích điện từ được mô tả như hình:
Hình 1.7 Nguồn phát- Đường dẫn- Máy thu
Chúng ta thấy có ba thành phần mà nó có thể tồn tại nhiễu và sinh ra nhiễu liên quan đến vấn đề tương thích điện từ, Để giải quyết vấn đề TTDT trong các thành phần này có một số đề xuất:
-Giảm tổng năng lượng được phát xạ hay còn gọi là khử năng lượng tại nguồn phát.
-Chúng ta phải kiểm soát đường dẫn thông qua dây dẫn hay bức xạ ra không gian.
- Tăng khả năng chống nhiễu ở máy thu
1.5.3 Các loại nhiễu điện từ trường
1.5.3.1 Khái niệm
- Nhiễu là tín hiệu không mong muốn xuất hiện trong thiết bị điện tử.Nó kết hợp với tín hiệu mong muốn làm suy giảm chất lượng của tín hiệu mong muốn.Nó được phát sinh từ các nguồn khác nhau.
1.5.3.2 Các dạng của nguồn nhiễu như sau
1.5.3.2.1 Nhiễu truyền dẫn
- Nguồn nhiễu gây ra hiện tượng nhiễu truyền dẫn (<30MHz) đối với các thiết bị điện chính là nguồn điện cung cấp cho thiết bị điện đó.
- Nhiều thiết bị điện cùng nối chung vào một nguồn cung cấp sẽ tạo ra một mạng lưới dày đặt các thiết bị nối với nhau.
-Thông qua mạng điện cung cấp nhiễu sinh ra từ thiết bị này:
+ Gây nhiễu lên các thiết bị khác.
+ Phát tán lên mạng điện và có thể gây ra nhiễu phát xạ trong mạng.
- Thành phần thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi ( thay đổi điện cảm,điện trở) khi truyền dẫn ở tần số cao (>150KHz)
Chúng ta cần phải lọc nhiễu truyền dẫn để loại bỏ nhiễu
1.5.3.2.2 Nhiễu trong thiết bị
- Do các xung clock trong thiết bị số,do việc bố trí các nguồn cung cấp gây nhiễu
1.5.3.2.3 Nhiễu từ bên ngoài như do nhiệt độ, độ ẩm, sấp chớp
- Chúng ta không thể khử nhiễu một cách hoàn toàn mà chỉ có thể giảm bớt tác động của chúng gây ra ảnh hưởng tới tín hiệu mong muốn.
1.6 Kết luận chương
Khi chúng ta nắm được khái niệm về sóng điện từ, trường điện từ thì phần nào chúng ta có thể mô hình hóa được vấn đề ta thiết kế, khi biết được các nguyên nhân gây nhiễu ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng ta có thể phần nào khắc phục được nhiễu.
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN
2.1Giới thiệu chương
Anten là một linh kiện cần thiết trong các thiết bị vô tuyến. Anten là thiết bị bức xạ sóng điện từ hay thu tín hiệu từ hữu tuyến sang vô tuyến.Để thiết kế anten điều đầu tiên chúng ta phải nghiên cứu và nắm rõ các lý thuyết cơ sở của kỹ thuật anten.
Trong chương này, đồ án sẽ tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, các thông số cơ bản của anten tạo nền cho việc thiết kế anten.
2.2 Khái niệm về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ chuyển tín hiệu từ hữu tuyến sang vô tuyến. Trong các thiết bị vô tuyến anten là một linh kiện cần thiết.
|
Thiết bị điều chế |
|
Máy phát |
|
Hệ thống cung cấp tín hiệu
|
|
Hệ thống bức xạ |
|
Anten phát |
|
Thiết bị xử lý |
|
Máy thu |
|
Hệ thống cảm thụ bức xạ |
|
Hệ thống gia công tín hiệu |
|
Anten thu |
Ngày hôm nay cùng với sự phát triển của kỹ thuật thông tin liên lạc, rada điều khiển …,yêu cầu anten không chỉ bức xạ và thu nhận sóng điện từ mà còn gia công tín hiệu.
Hình 2.1 Hệ thống anten thu và phát
2.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Theo lý thuyết khi nào có sự xuất hiện của điện trường và từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ.Nhưng trong thực tế trong những điều kiện nhất định mới có sự xuất hiện của bức xạ sóng điện từ.
Để minh họa cho điều này chúng ta lấy một ví dụ là một mạch dao động LC,so với bước sóng thì nó có kích thước rất nhỏ. Bây giờ chúng ta đặt vào mạch một suất điện động biến thiên thì sẽ xuất hiện từ trường biến thiên trong không gian cuộn dây còn điện trường biến thiên trong trong không gian tụ điện và rõ rang chúng ta nhận thấy rằng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà nó bị giới hạn trong không gian mạch. Dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn trong không gian bên ngoài khi chúng ta tang kích thước của tụ điện lên. Khi khoảng cách của chúng so với nguồn là khá xa thì đường sức điện sẽ không còn ràng buộc vào hai điện cực của tụ điện mà chúng sẽ ra không gian và hình thành nên một điện trường xoáy.Mà theo lý thuyết khi điện xoáy biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến đổi và từ trường biến đổi sẽ tạo ra điện trường xoáy cứ tiếp tục như vậy sẽ tạo ra sự lan truyền sóng điện từ.
2.4 Nguyên lý bức xạ sóng điện từ từ một anten
Khi anten nhận được năng lượng từ nguồn có 2 trường được tạo ra.Trường thứ nhất được gọi là trường cảm ứng ( trường gần).Trường thứ hai được gọi là trường bức xạ (trường xa).Tại anten trong trường gần các trường có cường độ lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten.Tại vùng xa chỉ có sự tồn tại của trường bức xạ và tại vùng này gồm có hai thành phần điện trường và từ trường.
Hình2.2 Các trường bức xạ tại vùng xa
-Trường điện từ được tạo ra bằng sự kết hợp của hai thành phần điện trường và từ trường.Trường điện từ lan truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự do.Trường bức xạ gồm các sóng phẳng. Khi sóng điện từ lan truyền trong không gian thì năng lượng của sóng mang trải ra ngày càng lớn.
2.5 Các thông số cơ bản của anten
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hướng và độ tăng ích
- Đồ thị phương hướng
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
- Tính phân cực
- Dải tần của anten
2.5.1 Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten bằng tỷ số của điện áp đặt vào anten và dòng điện chạy trong anten và được biểu diễn dưới dạng phức như công thức:
(2.1)
Trong đó thành phần thực của trở kháng vào được tính bởi tỷ số của công suất đặt vào anten và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten
(2.2)
Thành phần kháng của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten và có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng trong một số trường hợp cụ thể:
- Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
- Việc phối hợp trở kháng giữa đầu ra của máy thu với đầu vào của anten giúp cho có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến máy thu.
2.5.2 Hiệu suất của anten
Hiệu suất của anten đặc trưng cho quá trình chuyển đổi năng lượng của anten.Hiệu suất anten bằng tỷ số của công suất bức xạ và công suất đưa vào anten.
(2.3)
Ta lại có: (2.4)
Trong đó gọi là công suất tổn hao
Công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi điện trở bức xạ và điện trở tổn hao
Ta có (2.5)
Từ biểu thức trên ta suy ra công thức tính hiệu suất của anten theo điên trở tương ứng từng phần của chúng:
(2.6)
2.5.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích
Hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại) là hai thông số mà chúng ta dùng để so sánh giữa các anten.Để đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó người ta dựa trên cơ sở so sánh với anten chuẩn.
Anten chuẩn được xem như nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng, với hiệu suất là , và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng.
Số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng mà vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,φ) nào đó được gọi là hệ số định hướng D(θ,φ).
D(, == (2.7)
Trong đó D(, là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (,
, là công suất bức xạ của anten vô hướng và công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng (,.
E( là cường độ trường tương ứng của chúng.
Để có một khái niệm đầy đủ hơn và đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten người ta đưa ra khái niệm về hệ số tăng ích.
Hệ số tăng ích của anten G(θ,φ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,φ).
G(θ,φ) = (2.8)
Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (2.8) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được theo công thức sau:
= . (2.9)
2.5.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten
Khi bức xạ ra trong không gian thì sóng điện từ lan truyền nhiều hướng, ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu tín hiệu là tốt nhất. Điều quan trong là chúng ta làm thế nào để xác định tính hướng tính của anten.Tính hướng tính của anten không những phụ thuộc vào hệ số định hướng mà còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng anten.
Đồ thị phương hướng biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của công suất bức xạ hoặc cường độ điện trường tại những điểm có khoảng cách bằng nhau và được thể hiện trong hệ tọa độ cực hoặc hệ tọa độ góc tương ứng của điểm đang xét.
Hình 2.3 Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực
Hình 2.4 Đồ thị phương hướng trong tọa độ góc
Tùy theo sự biến đổi của góc theo các phương hướng khác nhau mà trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực tiểu đến giá trị cực đại. Khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng
hay còn gọi là góc bức xạ nhằm để đánh giá dạng đồ thị phương hướng. Góc bức xạ được xác định bởi hai bán kính vector có giá trị bằng ½ công suất cực đại, góc bức xạ còn gọi là góc nửa công suất
2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng
Trong vài hệ thống truyền tin vô tuyến như thông tin vệ tinh, công suất anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. Ký hiệu là EIRP
EIRP= (2.10)
Trong đó là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và là hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính
Hệ số tăng ích của anten cho biết việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. Công suất bức xạ đẳng hướng là công suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem
= 1. Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn.
2.5.6 Tính phân cực của anten
Trong quá trình lan truyền sóng các vector sẽ có biên độ và pha thay đổi. Sự biến đổi của vecto điện trường làm cho sự phân cực của sóng thay đổi. Dạng phân cực sóng được định nghĩa là hình chiếu của điểm đầu mút của vecto cường độ điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương lan truyền của sóng.
Ví dụ như hình chiếu có dạng tròn , elip, thẳng thì có các dạng phân cực tròn , elip, thẳng tương ứng. Dạng elip là trường hợp tổng quát còn các dạng phân cực tròn và thẳng là những trường hợp riêng.
Khi thiết kế việc chọn dạng phân cực tùy thuộc vào ứng dụng. Ví dụ như để lan truyền hoặc thu sóng mặt đất chúng ta thường sử dụng anten phân cực đứng vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn so với phân cực ngang
...............
Hình 4.8 Đáp ứng tần số của thông số S11tại tần số trung tâm 5.5 GHz
Bảng 4.3: Thông số ở tần số trung tâm 5.5 GHz
|
Freq [GHz] |
dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) |
|
5.068 |
-9.634793 |
|
5.14 |
-12.9624 |
|
5.164 |
-12.38884 |
|
5.212 |
-11.38494 |
|
5.236 |
-11.05763 |
|
5.26 |
-10.95684 |
|
5.284 |
-10.90843 |
|
5.332 |
-12.23685
|
|
5.356 |
-15.42969
|
|
5.38 |
-22.53514 |
|
5.404 |
-20.03601 |
|
5.428 |
-15.96512 |
|
5.452 |
-13.87228 |
|
5.476 |
-12.88888 |
|
5.5 |
-12.11772 |
|
5.548 |
-11.29689 |
|
5.572 |
-11.11237
|
|
5.596 |
-10.85151 |
|
5.62 |
-10.81914 |
|
5.668 |
-10.93297
|
|
5.692 |
-11.18773 |
|
5.716 |
-11.94433 |
|
5.74 |
-12.78394
|
|
5.764 |
-12.92641
|
|
5.812 |
-11.28471 |
|
5.836 |
-10.77367 |
|
5.848 |
-10.4418
|
|
5.86 |
-10.05452 |
|
5.872 |
-9.63635 |
Hình 4.9 Đồ thị bức xạ 3D tại tần số trung tâm 2.42 GHz
Hình 4.10 Giản đồ bức xạ tọa độ cực của anten tại tần số trung tâm 2.42 GHz
Hình 4.11 Đồ thị bức xạ 3D tại tần số trung tâm 5.5 GHz
Hình 4.12 Giản đồ bức xạ tọa độ cực của anten tại tần số trung tâm 5.5 GHz
4.5 Kết luận chương
Qua chương cuối này bằng ứng dụng công thức lý thuyết và các phương pháp mở rộng băng thông em đã thiết kế được anten vi dải hình chữ nhật với dải tần số hoạt động: 2.4 – 2.48 GHz và 5.15 – 5.85 GHz. Qua đây em thấy được công thức lý thuyết sẽ cho kết quả gần đúng còn thực tế mô phỏng thì chúng ta phải tinh chỉnh kích thước anten cũng như vị trí tiếp điện, hằng số điện môi hay chiều cao của lớp điện môi để được kết quả mong muốn.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
- Kết Luận Chung
Trong quá trình thực hiện cũng như sau khi hoàn thành đề tài: Thiết kế anten vi dải hình chữ nhật với dải tần số hoạt động : 2.4 – 2.48 GHz và 5.15 – 5.85 GHz. Em đã nắm được:
- Tìm hiểu về lý thuyết cơ bản của kỹ thuật anten như các thông số kỹ thuật của anten và các công thức tính toán các thông số đó.
- Hiểu được thế nào là anten vi dải, cấu trúc của anten, biết được các bước và công thức để đi thiết kế một anten vi dải. Áp dụng được một vài phương pháp để tăng băng thông trong quá trình thiết kế. Từ đó nắm được những nhân tố ảnh hưởng đến băng thông.
- Hiểu và sử dụng được phần mềm CST để mô phỏng anten vi dải, nhờ phần mềm mô phỏng mới thấy được kết quả thiết kế, mới so sánh được giữa kết quả tính toán bằng công thức và giá trị thực tế mô phỏng.
- Hướng Phát Triển Đề Tài
- Thiết kế anten không chỉ hoạt động ở hai băng tần trên mà còn nhiều băng tần hơn, mở rộng băng thông,tăng độ lợi hiệu suất, …vv.
- Nghiên cứu các kỹ thuật cấp nguồn khác cho anten để không làm ảnh hưởng đến cường độ bức xạ của anten hoặc nghiên cứu các kiểu mảng anten khác để bức xạ đạt cực đại.
- Vấn đề tương thích điện từ cũng rất cần quan tâm bởi một vài băng tần không cần thiết gây nhiễu đến băng tần cần thiết kế.
Đây cũng là đồ án đầu tiên về anten em thiết kế, qua đồ án đã giúp em nhớ và hiểu thêm kiến thức về anten, dù cũng đã cố gắng để hoàn thành tốt đồ án nhưng chắc chắn còn nhiều những thiếu sót mong thầy cô và các bạn bỏ qua và góp ý để đồ án của em được hoàn thiện.
Tài Liệu Tham Khảo
[1] GS.TSKH.Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
[2] PGS.TS. Tăng Tấn Chiến, Tương thích điện từ, NXB Giáo Dục Việt Nam – 2010.
[3] TS.Nguyễn Văn Cường, Kỹ Thuật Anten.
[4] W.L Stutzman and G.A Thiele, Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc, 2005.
[5] Robert E.Collin, Antennas and radiowave propagation.
[6] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna design handbook, Artech House, Boston London
[7] A.B. Mutiara, R.Refianti, Rachmansyah, “Design Of Microstrip Antenna For Wireless Communication At 2.4 GHz”, Journal of Theoretical and Applied Information Technology 30th November 2011. Vol. 33 No.2
