Đồ Án Phân tích và Thiết Kế ANTEN LOGA Chu Kỳ Mạch In

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay, với sự nở rộ của các công nghệ không dây, kéo theo đó là các thiết bị không dây tích hợp các dịch vụ đa phương tiện nhằm thỏa mãn những nhu cầu ngày càng cao của con người. Khởi đầu là công nghệ AMTS chỉ cung cấp các dịch vụ thoại, tiếp đó là công nghệ GSM, CDMA cung cấp dịch vụ thoại và SMS, các công nghệ không dây hiện nay như WCDMA, OFDM –CDMA, MIMO-OFDM, đã, đang và sẽ cung cấp các dịch không dây với dung lượng đường truyền cao. Nhưng dường như tất cả là chưa đủ cho nhu cầu của con người, vẫn cần một công nghệ không dây để có thể kết nối tất cả các thiết bị với tốc độ truyền trung bình hàng trăm Mbit/giây và tiêu tốn ít năng lượng. Công nghệ băng thông siêu rộng ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu đó. Công nghệ băng thông siêu rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Truyền thông, Rada quân sự, kết nối các thiết bị trong gia đình (Tivi, máy tính, camera, máy ảnh, ), mạng vô tuyến cảm biến, trong đồ án này anten được thiết kế cho các công nghệ ứng dụng đường truyền tầm nhìn thẳng (line of sight) trong dải tần UWB.
Để phát triển công nghệ băng thông siêu rộng thì 1 bước quan trọng đầu tiên đó là thiết kế anten hoạt động ở dải tần UWB(3,1-10,6 GHz), Với mục đích ứng dụng trong các ứng dụng tầm nhìn thẳng nên đặc biệt yêu cầu thiết kế là anten phải có đặc tính bức xạ định hướng cao. Anten loga chu kì được thiết kế theo công nghệ mạch in có thể đạt được dải tần UWB , đặc tính bức xạ hướng rất. Tuy nhiên việc thiết kế anten gặp phải khó khăn là trong dải tần này đã có những băng tần được dành cho các công nghệ ra đời trước đó như Wimax, WLAN. Chính vì vậy đòi hỏi loại bỏ băng tần trùng lặp để tránh chồng lấn tần số được đưa ra khi nghiên cứu thiết kế anten băng thông siêu rộng. Trông đồ án này, tôi thực hiện tính toán, phân tích thiết kế đưa ra 1 mô hình anten loga chu kì vi dải có khoét 2 khe hình chữ U như 2 bộ lọc để loại bỏ 2 băng tần, sử dụng phần mềm Ansoft HFSS (tính toán trường điện từ theo phương pháp phần tử hữu hạn) để mô phỏng. Mô hình anten cuối cùng có băng thông bao chùm dải tần từ 3.1GHz đến 10.6GHz, đồng thời loại bỏ được 2 băng tần 3.31 GHz - 3.98 GHz và 5.03 GHz – 5.97 GHz, bức xạ mang tính đặc trưng của anten loga chu kì định hướng trên toàn bộ băng tần làm việc.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đào Ngọc Chiến, người đã trực tiếp định hướng đồ án, giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành đồ án của mình. Tôi xin cám ơn ba mẹ, những người sinh thành ra tôi; gia đình tôi, những người luôn bên tôi, luôn ủng hộ tôi. Tôi cũng xin cám ơn các anh chị, các bạn trong phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển truyền thông CRD Tầng 6 – Thư viện Điện tử Tạ Quang Bửu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã góp ý và chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành đồ án của mình.

Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011
Nguyễn Tất Thắng

TÓM TẮT ĐỒ ÁNThời gian gần đây, công nghệ băng thông siêu rộng đang trở thành vấn đề được rất nhiều các nhà nghiên cứu, các phòng thí nghiệm, các nhà sản xuất thiết bị không dây trên thế giới quan tâm. Với băng thông siêu rộng, các ứng dụng của công nghệ này có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến hàng trăm Mbit/giây. Các anten của các thiết bị sử dụng công nghệ này đòi hỏi có dải tần hoạt động bao chùm dải tần số từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz. Tuy nhiên, không phải toàn bộ dải tần này được sử dụng mà có các công nghệ không dây khác đã và đang sử dụng UWB. Chính vì vậy đặt ra yêu cầu cho công nghệ UWB loại bỏ băng tần.
Trong đồ án này, ta tập trung giải quyết vấn đề anten loga chu kỳ băng thông siêu rộng bức xạ định hướng và loại bỏ được 2 băng tần. Bằng cách sử dụng các nguyên lý mở rộng dải tần làm việc và các kỹ thuật thiết kế anten vi dải băng thông rộng cộng với các điều chỉnh phù hợp với việc thêm vào các khe hình chữ U giúp tạo ra anten loga chu kỳ vi dải băng thông siêu rộng, bức xạ định hướng, loại bỏ 2 băng tần. Đặc biệt việc đưa ra phương pháp tiếp điện phù hợp cho anten loga chu kỳ dạng mạch in là một điểm quan trọng cần giải quyết của đồ án. Anten được chế tạo bằng công nghệ mạch in, dễ chế tạo và giá thành rẻ.

MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3
ABSTRACT 4
MỤC LỤC 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ 7
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 8
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 9
PHẦN MỞ ĐẦU 10
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG 11
1.1 Định nghĩa công nghệ băng thông siêu rộng. 11
1.1.1 Lịch sử phát triển. 11
1.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng. 12
1.2 Ứng dụng của công nghệ băng thông siêu rộng. 15
1.2.1 Truyền thông và cảm biến. 16
a. Tốc độ bit thấp. 16
b. Mạng cảm biến. 17
c. Tốc độ bit cao. 18
1.2.2 Định vị vị trí và theo dõi 18
a. Định vị vị trí 18
b. Theo dõi 19
c. Radar . 20
1.3 Các yêu cầu của anten cho công nghệ băng thông siêu rộng. 21
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22
2.1. Lý thuyết cơ bản về trường điện từ. 22
2.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên. 22
2.1.2 Các phương trình thế. 23
2.1.3 Các điều kiện biên. 26
2.1.4 Các thông số cơ bản của anten. 28
2.1.4.1 Trường xa. 31
2.1.4.2 Vùng tác động trường gần. 33
2.1.4.3 Đồ thị bức xạ. 33
2.1.4.4 Búp sóng của đồ thị bức xạ. 35
2.1.4.5 Mật độ năng lượng bức xạ. 36
2.1.4.6 Cường độ bức xạ. 38
2.1.4.7 Độ rộng chùm tia. 39
2.1.4.8 Độ định hướng. 41
2.1.4.9 Hiệu suất anten. 42
2.1.4.10 Hệ số tăng ích. 43
2.1.4.11 Hiệu suất chùm tia. 46
2.1.4.12 Băng thông. 46
2.1.4.13 Sự phân cực. 47
2.1.5 Lý thuyết đường truyền. 48
2.1.5.1 Trở kháng đặc trưng. 49
2.1.5.2 Các mode cơ bản. 50
2.1.5.3 Suy hao. 51
2.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method). 51
2.2.1 Giới thiệu. 51
2.2.1 Phần mềm mô phỏng HFSS. 53
2.2.1.1 Giới thiệu. 53
2.2.1.2 Mô phỏng. 54
a)Phương pháp phần tử hữu hạn. 54
b)Tính toán 55
c) Sơ đồ khối thực hiện mô phỏng. 57
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN 59
3.1 Phân tích thiết kế và kết quả mô phỏng anten. 59
3.1.1 Nguyên lý anten Loga – Chu kỳ. 59
3.1.2 Cấu trúc anten Loga – Chu kỳ dạng mạch in. 62
3.1.3 Thông số cho anten Loga – Chu kỳ dạng mạch in theo lý thuyết 63
3.1.4 Phương pháp tiếp điện cho anten loga chu kỳ và kết quả mô phỏng. 64
3.1.5 Mô hình anten loại bỏ băng tần 5-6Ghz. 68
3.1.6 Mô hình anten cuối cùng. 71
3.1.7 kết quả chế tạo thử nghiệm anten. 78
3.2 Kết luận. 79
KẾT LUẬN CHUNG 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT- ANH 82