Luận Văn Thiết kế anten vi dải băng rộng và đa dải tần

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các
thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. 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 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 nhà nghiên cứu anten.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, 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), đã được phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với 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).
Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp, và mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông 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.
Khóa luận tập trung thiết kế một anten vi dải băng rộng và đa dải tần. Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng. HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và giao diện đồ họa đẹp để mang đến sự hiểu biết sâu sắc đối với tất cả các bài toán trường điện từ 3D.
Khóa luận gồm 4 chương:
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải
Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần
Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải Chương 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten
Bằng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, kết hợp với mô phỏng khóa luận đã thực hiện được những nội dung chính sau đây:
¾ Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten vi dải.
¾ Nêu ra nguyên lý và các phương pháp để xây dựng anten vi dải băng rộng và
anten có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần.
¾ Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải dẹt có cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng
đường truyền mạch dải.
¾ Đo đạc và đánh giá các đặc tính của anten được thiết kế như: tần số cộng
hưởng, băng thông, trở kháng vào, giản đồ bức xạ.
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN ii
MỤC LỤC . iii
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải
1.1. Lý thuyết chung về anten . 3
1.1.1. Giới thiệu . 3
1.1.2. Các tham số cơ bản của anten 5
1.1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 5
1.1.2.2. Giản đồ bức xạ 6
1.1.2.3. Mật độ công suất bức xạ . 10
1.1.2.4. Cường độ bức xạ 11
1.1.2.5. Hệ số định hướng .12
1.1.2.6. Hệ số tăng ích 13
1.1.2.7. Băng thông 14
1.1.2.8. Phân cực 15
1.1.2.9. Trở kháng vào .17
1.2. Đường truyền vi dải và anten vi dải . 18
1.2.1. Đường truyền vi dải 18
1.2.1.1. Cấu trúc đường truyền vi dải .18
1.2.1.2. Cấu trúc trường của đường truyền vi dải 18
1.2.2. Anten vi dải 19
1.2.2.1. Giới thiệu chung 19
1.2.2.2. Một số loại anten vi dải cơ bản 20
1.2.2.3. Anten patch hình chữ nhật . 22
Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần
2.1. Giới thiệu chung . 24
2.1.1. Dải thông tần 24
2.1.2. Dải tần công tác 25
2.2. Mở rộng băng thông của anten vi dải 25
2.2.1. Giới thiệu 25
2.2.2. Ảnh hưởng của các tham số chất nền tới băng thông .27
2.2.3. Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp 28
2.2.4. Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp 29
2.2.5. Kỹ thuật kích thích đa mode .30
2.2.5.1. Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng 30
2.2.5.2. Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng 31
2.2.5.3. Các kỹ thuật kích thích đa mode khác 35
2.2.6. Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác 35
2.2.6.1. Phối hợp trở kháng . 36
2.2.6.2. Mắc tải điện trở 37
2.3. Anten vi dải nhiều băng tần .37
2.3.1. Anten vi dải 2 tần số cộng hưởng .37
2.3.2. Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hưởng 38
2.4. Phối hợp trở kháng dải rộng . 39
2.4.1. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 39
2.4.2. Phối hợp trở kháng dải rộng .39
2.4.3. Một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng 42
2.4.3.1. Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng hàm mũ . 42
2.4.3.2. Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác . 43
2.4.3.3. Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein .44
2.4.4. Tiêu chuẩn Bode - Fano .46
Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải
3.1. Giới thiệu .48
3.2. Thiết kế thành phần bức xạ .49
3.3. Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng 50
3.3.1. So sánh một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng 50
3.3.2. Lựa chọn bộ phối hợp trở kháng dải rộng 52
3.4. Thiết kế đường truyền vi dải 50 Ω 53
3.4.1. Thiết kế với Ansoft Designer 2.0 . 53
3.4.2. Thiết kế dựa vào lý thuyết đường truyền vi dải .54
3.4.2.1. Trở kháng đặc trưng Z[SUB]0[/SUB] 54
3.4.2.2. Bước sóng trên đường vi dải λ 55
3.4.2.3. Công suất cho phép trung bình P[SUB]av[/SUB] .57
3.4.2.4. Công suất cho phép tối đa P[SUB]p[/SUB] .58
Chương 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten
4.1. Mô phỏng cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS 59
4.1.1. Phần mềm HFSS phiên bản 9.1 59
4.1.2. Kết quả mô phỏng với HFSS 9.1 . 61
4.2. Chế tạo anten 67
4.3. Đo đạc các tham số của anten 69
PHỤ LỤC 73
A. Phụ lục 1: Thuật toán chia lưới thích nghi của Ansoft HFSS 9.1 .73
B. Phụ lục 2: Một số lưu ý về thiết đặt các tham số trong HFSS 74
B.1. Solution Setup 74
B.2. Mesh Operations .77
B.3. Radiation Boundary . 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80