Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG

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

Tải bản đầy đủ - 0trang

-



Các chất nền dày hơn 0.11 và có = 2.2 có tr ở kháng tại đi ểm ti ếp đi ện

cho anten tăng, dẫn tới các vấn đề phối hợp trở kháng.



-



Các mode bậc cao hơn chạy dọc theo chiều dày chất nền có th ể tăng,

làm méo các giản đồ bức xạ và thay dổi trở kháng đặc tính.



2.1.2 Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp

Có một số hình dạng patch có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng

khác, tương ứng băng thông của anten có hình dạng đó sẽ cao hơn. Các hình dạng

patch này gồm có: hình vành khun, hình tròn, hình chữ nhật/ hình vng, patch

sóng ngắn và các hình dạng cầu khác. Từ bảng ta thấy được băng thông của anten

patch hình chữ nhật tăng lên với sự gia tăng chiều rộng của patch.

Bảng 1 Bảng so sánh băng thông của các hình dạng patch tại VSWR=2

Hình dạng patch



Kích

(cm)



thước



patch Băng thơng (%)



Hình chữ nhật hẹp



L=4.924, W=2.0



0.7



Hình chữ nhật rộng



L=4.79, W=7.2



1.6



Hình vuông



L=W=4.82



1.3



Hình tròn



Bán kính r=2.78



1.3



Hình vành khun



B=8.9, a=4.45



3.8



Hình chữ nhật ¼ bước sóng



L=2.462, W=2.0



1.05



2.1.3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp

Lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng trong quá

trình thiết kế anten. Có nhiều kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải như: tiếp điện bằng

đường truyền vi dải, bằng đầu dò, ghép khe patch với một đường vi dải đã được

nghiên cứu ở chương trước. Trong mô hình anten được thiết kế, phương pháp tiếp

điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng, phương pháp này dễ chế tạo và dễ

phối hợp trở kháng. Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải có ưu điểm và

hạn chế.



 Ưu điểm : dễ thực hiện vì patch có thể được xem là một đường truyền vi dải

hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch.

 Nhược điểm: sẽ xuất hiện sự phát xạ khơng mong muốn nếu kích thước đoạn

feed line là đáng kể so với patch. Để giảm bớt hạn chế trên và để có phối hợp trở

kháng giữa feed line và patch ta sử dụng hai cách:

-



Chọn điểm có trở kháng bằng với trở kháng của đường vi dải bằng cách cắt

vào tấm patch một khoảng y0.



-



Dùng bộ chuyển đổi trở kháng dùng các đoạn đường vi dải có chiều dài �/4

để có thẻ điều chỉnh trở kháng vào thích hợp.



2.2



Kỹ thuật mở rộng băng thơng



2.2.1 Kỹ thuật kích thích đa mode

Việc sử dụng một số chế độ cộng hưởng là một cách tiếp cận rất thành công

trong việc thiết kế anten vi dải băng rộng. Ý tưởng của phương pháp này là sử dụng

các bộ cộng hưởng, có thể ghép hai hay nhiều bộ cộng hưởng và điểu chỉnh để bao

phủ toàn dải tần đang khảo sát. Phương pháp này được sử dụng cho các hình dạng

khác nhau của anten vi dải, mỗi thành phần cộng hưởng được ghép sát với thành

phần cộng hưởng khác, việc ghép sát này được điều khiển để tăng băng thông.

 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng

Hình mô tả một anten vi dải với 2 patch được xếp chồng, patch bên dưới có

thể được tiếp điện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải, patch

bên trên được ghép sát với patch bên dưới, để thu được tần số cộng hưởng khác một

chút thì kích thước của patch phía trên hơi khác kích thước của patch bên dưới.



Hình 2. 2 Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe

Ta có thể điều chỉnh một số tham số như độ dày d 1 và d2 của chất nền, hằng

số điện môi và , độ lệch tâm của miếng patch, kích thước miếng patch và vị trí tiếp

điện cho những ứng dụng khác nhau.

Cấu hình anten với patch xếp chồng có những đặc điểm:

-



Xếp chồng các patch khơng làm tăng di ện tích bề m ặt c ủa ph ần t ử so

với các phần tử ký sinh đồng phẳng, phần tử xếp chồng có thể được sử

dụng trong cấu trúc mảng mà không cần tăng khoảng cách giữa các

patch và giải quyết được vấn đề thùy lưới liên quan.



-



Các mẫu bức xạ và tâm pha của phần tử xếp chồng vẫn đối xứng trên

dải hoạt động của nó.



 Mở rộng băng thơng sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng

Phương pháp ghép gần các patch đồng phẳng có tần số cộng hưởng có chênh

lệch chút ít. Chỉ có patch ở giữa (patch điểu khiển) được tiếp điện và các patch khác

hoặc là được ghép khe hoặc được ghép trực tiếp với patch điều khiển.

Phương pháp sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng có nhược điểm là

diện tích bề mặt tăng lên, giản đồ bức xạ và tâm pha biến đổi rõ rệt theo tần số, đặc

biệt đối với các thiết kế băng thông rộng hơn.



2.2.2 Tăng độ dày chất nền

Phương pháp tăng độ dày chất nền chỉ hiệu quả với anten có độ dày chất nền

h<0.02 [3]. Băng thơng gần như tăng tuyến tính khi độ dày chất nền chất nền tăng.

Phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế:

-



Cơng suất sóng về mặt tăng làm giảm hiệu suất bức xạ.



-



Chất nền có độ dày 0.11 khó phối hợp trở kháng.



-



Chất nền càng dày có thể tạo ra các mode bậc cao dọc theo chi ều dày

của chất nền gây méo trong giản đồ bức xạ.



2.2.3 Kỹ thuật DGS

Kỹ thuật DGS (Defected ground structure: cấu trúc mặt phẳng đất khiếm

khuyết) là kỹ thuật sửa đổi mặt phẳng đất được thực hiện bằng việc đưa một hình

dạng khuyết thiếu vào mặt phẳng đất làm xáo trộn sự phân bố dòng tại mặt phẳng

đất, làm thay đổi đặc tính của đường truyền.

Một số cấu trúc được sử dụng phổ biến hiện nay được thể hiện ở hình dưới.

Các mẫu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương LC, hệ số ghép

nối, đáp ứng tần số và các thông số khác. Mặc dù hình dạng khuyết này thêm vào sẽ

làm mất đi tính thống nhất của mặt phẳng đất nhưng khơng làm mặt phẳng đất bị

lỗi.

Ứng dụng của DGS trong anten vi dải: DGS được ứng dụng rộng rãi trong

các thiết kế mạch vi dải, đặt biệt cho các thiết kế nhỏ gọn như anten vi dải. DGS

hiệu quả trong việc cải thiện suy hao phản xạ tại tần số cộng hưởng, cải thiện băng

thơng đường truyền, giảm kích thước anten, giảm sóng hài, phân cực chéo và giảm

ảnh hưởng ghép tương hỗ.



Hình 2. 3 Một số khuôn mẫu DGS

Các cấu trúc thường được sử dụng là dạng chữ I, chữ L, chữ H, các dạng

hình quả tạ... và dạng hình DGS phức tạp có chu kỳ.

 Các yêu cầu thiết kế của cấu trúc DGS:

-



Thiết kế không làm thay đổi tần số làm việc của anten.



-



Anten sau khi cải thiện băng thơng có băng thơng m ở r ộng v ề hai

phía của tần số cộng hưởng.



-



Cấu trúc DGS có tính đối xứng theo chiều ngang đ ể không làm méo

cấu trúc phát xạ của anten.



2.3



Hiệu quả nhất là: tăng băng thông, giảm hệ số S11 và tăng độ lợi.



Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản



2.3.1 Thiết kế thành phần bức xạ

Tính tốn kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo

cơng thức sau:

(1-42)

 Chiều dài của miếng patch

-



Hằng số điện môi hiệu dụng của patch tính bởi:

(1-43)



-



Chiều dài mở rộng của miếng patch :

(1-44)



-



Chiều dài thật của miếng patch:

(1-45)



2.3.2 Thiết kế đường truyền vi dải

Đồ án này, sử dụng tiếp điện bằng đường truyền vi dải. Có hai phương pháp

để tính tốn các thơng số cho đường truyền vi dải, phương phát thứ nhất là dùng các

cơng thức lý thuyết để tính tốn, vì vậy cần chỉnh sửa nhất định để tối ưu các thông

số. Phương pháp thứ hai là dùng phần mềm mô phỏng CST, phần mềm đã tính tốn

các tổng hao và tối ưu các tham số. Để thuận tiện trong quá trình thiết kế, trước tiên

ta tính tốn lý thuyết các tham số đường truyền để lấy giá trị sau đó tối ưu hóa các

giá trị tính được bằng cách sử dụng phần mềm CST.

 Xác định độ rộng đường truyền vi dải bằng lý thuyết

-



Điện dẫn G1 của khe 1:

G1 = I1/1202



(1-46)

(1-47)



Với X = k0W.

-



Điện dẫn ghép G12 giữa 2 khe tính bởi theo cơng thức 1-25:

Với J0 là hàm Bessel loại 1, bậc 0.



-



Trở kháng ngõ vào Rin tại cạnh (y=0) của anten vi dải tính bởi:

(1-48)

-



Để trở kháng ngõ vào của anten là 50 Ohm, thì điểm cấp tín hiệu cho anten



sẽ lấn sâu vào trong anten một khoảng y0 cho bởi 1-28



(mm)

Để phối hợp trở kháng thì đường vi dải cấp tín hiệu cho anten tại vị trí y 0 cần

có bề mặt w0 cho bởi cơng thức:

= 50 (Ohm)

Từ đó ta tính được độ rộng đường feed w0.

 Xác định đường truyền vi dải bằng phần mềm CST

Do cơng thức tính tốn lý thuyết cho áp dụng trường hợp khơng có suy hao

và tổn thất, cách tính bằng phần mềm CST đã tính đến các yếu tố suy hao trên

đường truyền nên kết quả có sự sai khác giữa hai cách tính.

Hình dưới mơ tả việc tinh chỉnh thông số độ rộng đường truyền vi dải wf để

có được trở kháng ngõ vào là 50 Ohm.



Hình 2. 4 Tính tốn trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải

2.3.3 Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng

Phối hợp trở kháng giữa các đường dây tính theo công thức:

(1-49)



Việc sử dụng đường truyền vi dải với kích thước đoạn feed line là đáng kể so

với kích thước patch sẽ gây ra nhiều bức xạ không mong muốn. Để khắc phục phục

nhược điểm đó ta dùng bộ chuyển đổi trở kháng dùng các đoạn đường vi dải có

chiều dài l =.

Áp dụng cơng thức (1-50) trên ta có:

Như vậy, phối hợp trở kháng từ đường dây 100 Ohm sang đường dây 50

Ohm thì cần 1 đoạn dây dài có điện trở: R = = 70.7 (Ohm).

Bề mặt w0 của đường truyền vi dải cũng được tính tốn phù hợp với thơng số

điện trở của nó. Việc tính tốn kích thước của đường truyền vi dải được thực hiện

bằng công cụ Transmission line Caculation.

2.4



Kết luận chương

Chương 2 đã phân tích các yếu tố ảnh hướng đến việc thiết kế anten : các



thông số chất nền, hình dạng thành phần bức xạ, lựa chọn kỹ thuật tiếp điện cho

anten vi dải; các phương pháp cải thiện băng thông cho anten vi dải đồng thời trình

bày phương pháp thiết kế anten vi dải hình chữ nhật cơ bản từ đó ứng dụng để lựa

chọn, đưa ra cấu trúc và phương pháp thiết kế anten được thể hiện trong chương 3.



CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG

3.1



Giới thiệu phần mềm mô phỏng CST

Đồ án sử dụng phần mềm mô phỏng CST 2018 để tính tốn, thiết kế, mơ



phỏng và phân tích anten dựa trên các thơng số lựa chọn.

Phần mềm mô phỏng CST là công cụ mạnh trong việc tính tốn chính xác và

hiệu quả cho các thiết kế điện từ, hơn nữa CST sử dụng giao diện đồ họa, dễ sử

dụng, kết quả mô phỏng trực quan sinh động thuận tiện cho việc phân tích, tối ưu

anten một cách nhanh chóng. CST sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite

Element Method), kỹ thuật chia lưới thích nghi, với thư viện lớn và đầy đủ các vật

liệu để xây dựng nên các phần tử trường điện từ.



Hình 3. 1 Giao diện phần mềm CST

 Quy trình thiết kế anten vi dải với phần mềm CST

-



Vẽ mô hình với các tham số cho trước.



-



Thiết đặt các thông số để phân tích: nguồn cấp, dải tần số, tần số để hiển

thị kết quả.



-



Chạy mô phỏng.



-



Hiển thị kết quả thu được: các tham số S, đồ thị bức xạ.



Trong đồ án này, kết quả thu được qua việc mô phỏng anten vi dải bằng phần

mềm CST như: các tham số S, giản đồ bức xạ... dùng để phân tích, đánh giá hiệu

quả của anten thiết kế .

3.2



Mục tiêu thiết kế

Thiết kế anten vi dải cải tần số cộng hưởng 5,25 GHz ứng dụng cho mạng



wifi cụ thể là hệ thống mạng cục bộ WLAN, cải thiện băng thông cho anten vi dải

bằng phương pháp sử dụng cấu trúc DGS kết hợp tăng độ dày chất nền. Băng thông

được cải thiện đáng kể sau khi áp dụng phương pháp cải thiện băng thông.

3.3



Cấu trúc thiết kế

Thiết kế anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, tần số cộng hưởng tại 5,25



GHz cấp nguồn vi dải, phân cực tuyến tính, áp dụng cấu trúc DGS để cải thiện băng

thông của anten.

Các thông số đầu vào được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2 Các thông số đầu vào của anten vi dải



3.4



Tần số hoạt động



5,25 GHz



Hằng số điện môi lớp nền



4,4 (FR4)



Độ dày lớp điện môi



1,6 mm



Phương thức cấp nguồn



Đường truyền vi dải



Phối hợp trở kháng



Inset feed line



Phân cực



Tuyến tính



Tính tốn thiết kế

Từ các thông số trên ta sử dụng các công thức đã trình bày ở chương 2 và



cơng cụ Matlab để tính tốn các thơng số khác của anten, các thơng số (tính theo

mm) sau khi được tính tốn và làm tròn được thể hiện trong bảng sau, chọn bề dày

mặt phẳng đất và patch là 0,035mm.

Bảng 3 Các thông số thiết kế anten vi dải



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

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

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×