Download miễn phí Khóa luận Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải



MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.i
TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN.ii
MỤC LỤC.iii
LỜI NÓI ĐẦU.1
Chương 1: Lý thuyết cơbản vềanten và anten vi dải
1.1. Lý thuyết chung vềanten.3
1.1.1. Giới thiệu.3
1.1.2. Các thamsốcơbản của anten.5
1.1.2.1. Sựbức xạsóng điện từbởi một anten.5
1.1.2.2. Giản đồbức xạ.6
1.1.2.3. Mật độcông suất bức xạ.10
1.1.2.4. Cường độbức xạ.11
1.1.2.5. Hệsố định hướng.12
1.1.2.6. Hệsốtăng ích.13
1.1.2.7. Băng thông.14
1.1.2.8. Phân cực.15
1.1.2.9. Trởkháng 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 sốloại anten vi dải cơbản.20
1.2.2.3. Anten patch hình chữnhật.22
Chương 2:Anten mạch dải băngrộng và anten mạchdải nhiều băngtần
2.1. Giới thiệu chung.24
2.1.1. Dải thông tần.24
2.1.2. Dải tần công tác.25
2.2. Mởrộng băng thông của anten vi dải.25
2.2.1. Giới thiệu.25
2.2.2. Ảnh hưởng của các tham sốchất nền tới băng thông.27
2.2.3. Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạthích hợp.28
2.2.4. Lựa chọn kỹthuật tiếp điện thích hợp.29
2.2.5. Kỹthuật kích thích đa mode.30
2.2.5.1. Mởrộng băng thông sửdụng nhiều thành phần bức xạxếp chồng.30
2.2.5.2. Mởrộng băng thông sửdụng các thành phần kí sinh đồng phẳng.31
2.2.5.3. Các kỹthuật kích thích đamode khác.35
2.2.6. Các kỹthuật mởrộng băng thông khác.35
2.2.6.1. Phối hợp trởkháng.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 sốcộng hưởng.37
2.3.2. Anten vi dải nhiều hơn 2 tần sốcộng hưởng.38
2.4. Phối hợp trởkháng dải rộng.39
2.4.1. Ý nghĩa của việc phối hợp trởkháng.39
2.4.2. Phối hợp trởkháng dải rộng.39
2.4.3. Một sốbộphối hợp trởkháng dải rộng.42
2.4.3.1. Bộphối hợp trởkháng liên tục dạng hàm mũ.42
2.4.3.2. Bộphối hợp trởkháng liên tục dạng tam giác.43
2.4.3.3. Bộphối hợp trởkháng liên tục Klopfenstein.44
2.4.4. Tiêu chuẩn Bode – Fano.46
Chương 3:Thiết kếanten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vidải
3.1. Giới thiệu.48
3.2. Thiết kếthành phần bức xạ.49
3.3. Thiết kếthành phần phối hợp trởkháng dải rộng.50
3.3.1. Sosánh một sốbộphối hợp trởkháng dải rộng.50
3.3.2. Lựa chọn bộphối hợp trởkháng dải rộng.52
3.4. Thiết kế đường truyền vi dải 50 Ω.53
3.4.1. Thiết kếvới Ansoft Designer 2.0.53
3.4.2. Thiết kếdựa vào lý thuyết đường truyền vi dải.54
3.4.2.1. Trởkháng đặc trưng Z0.54
3.4.2.2. Bước sóng trên đường vi dải λ.55
3.4.2.3. Công suất cho phép trung bình Pav.57
3.4.2.4. Công suất cho phép tối đa Pp.58
Chương 4:Mô phỏng, chếtạo và đo đạc các tham sốcủa anten
4.1. Môphỏng cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS.59
4.1.1. Phần mềm HFSS phiên bản 9.1.59
4.1.2. Kết quảmôphỏng với HFSS 9.1.61
4.2. Chếtạo anten.67
4.3. Đo đạc các tham sốcủa anten.69
PHỤLỤC.73
A. Phụlục 1: Thuật toán chia lưới thích nghi của Ansoft HFSS 9.1.73
B. Phụlục 2: Một sốlưu ý vềthiết đặt các tham sốtrong HFSS.74
B.1. Solution Setup.74
B.2. Mesh Operations.77
B.3. Radiation Boundary.78
TÀI LIỆU THAM KHẢO.80

Về mặt vật lý, điều này xảy ra là do “trường viền” (fringing field) tăng khi tăng h và
giảm εr.
Kết luận, tăng h và giảm εr sẽ làm tăng băng thông trở kháng của anten. Tuy nhiên,
phương pháp này chỉ có thể áp dụng khi h < 0.02λ. Có nhiều nhược điểm do sử dụng
các chất nền có hằng số điện môi cao và độ dày lớn, bao gồm:
¾ Năng lượng sóng mặt tăng lên, dẫn tới kết quả là hiệu suất bức xạ kém (xem
hình 2.2). Bức xạ từ các sóng mặt có thể làm méo giản đồ bức xạ gần đầu cuối
đường tiếp điện vi dải.
¾ Các chất nền có độ dày lớn, khi tiếp điện tại cạnh của thành phần bức xạ sẽ làm
tăng bức xạ “giả” (spurious radiation) từ đường vi dải tại những chỗ thay đổi về
độ rộng (step-in-width) và những chỗ bất liên tục trên đường vi dải. Sự bức xạ
từ đầu tiếp điện (probe feed) cũng sẽ tăng.
¾ Các chất nền dày hơn 0.11λ0 và có εr=2.2 có trở kháng tại điểm tiếp điện cho
anten tăng, dẫn tới các vấn đề về phối hợp trở kháng.
¾ Các mode bậc cao hơn chạy dọc theo chiều dày chất nền có thể tăng, điều này
làm méo các giản đồ bức xạ và thay đổi trở kháng đặc tính. Đây là một tham số
hạn chế việc đạt được băng thông lớn hơn.
Hình 2.4. Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày
chất nền. Trong đó εr=2.2, W=0.9L, f=3 GHz [7]
2.2.3. Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp
Người ta nhận thấy rằng: một vài hình dạng thành phần bức xạ (patch) có hệ số Q thấp
hơn so với những hình dạng khác. Do đó băng thông của chúng sẽ cao hơn. Các hình
dạng thành phần bức xạ này bao gồm: vành khuyên (annular ring), vành hình chữ
nhật/hình vuông (rectangular/square ring), patch phần tư bước sóng (được ngắn mạch)
và một số hình dạng khác. Anten có patch vành khuyên tròn với b = 2a khi hoạt động
ở mode TM12 cho băng thông gấp 5 lần anten patch hình chữ nhật với L = 1.5W.
Tương tự, anten có patch vành hình chữ nhật/hình vuông với chu vi trung bình 1 λg có
thể được sử dụng.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến 28
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Băng thông của anten có patch phần tư sóng ngắn mạch hay vành khuyên được so sánh
với anten có patch hình tròn hay hình chữ nhật trong bảng 2.1. Chúng ta có thể nhận
thấy từ bảng này rằng: băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng khi độ rộng của
patch tăng.
Bảng 2.1. So sánh băng thông tại VSWR = 2
Hình dạng patch Kích thước patch Băng thông (%)
Hình chữ nhật hẹp L=4.924 cm, W=2.0 cm 0.7
Hình chữ nhật rộng L=4.79 cm, W=7.2 cm 1.6
Hình vuông L=W=4.82 cm 1.3
Hình tròn Bán kính a=2.78 cm 1.3
Hình vành khuyên b=8.9 cm, a=4.45 cm 3.8
Hình chữ nhật ¼ bước sóng L=2.462 cm, W=2.0 cm 1.05
εr = 2.32, h = 1.59 mm, f = 2 GHz
2.2.4. Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp
Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác nhau như: tiếp điện bằng “đầu dò” (probe feeding),
tiếp điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch với một đường truyền vi dải
(proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện vi
dải (aperture coupling to a microstrip feed line). Trong đó phương pháp ghép khe
(aperture coupling) được sử dụng cho các anten băng rộng trên các chất nền dày. Điều
này là do thực tế rằng: kỹ thuật tiếp điện này cho phép một lượng lớn tham số có thể
điều chỉnh như độ dài khe, độ rộng khe và hình dạng khe, …. Phương pháp ghép khe
khi được điều chỉnh một cách kỹ lưỡng có thể làm tăng băng thông một cách đáng kể.
Băng thông khoảng 70% có thể đạt được khi sử dụng kỹ thuật tiếp điện này.
Anten vi dải ghép khe
Anten vi dải ghép khe được thể hiện trong hình 2.5. Nó bao gồm một patch hình chữ
nhật có kích thước a x b được in trên chất nền có độ dày h và hằng số điện môi εra.
Patch vi dải được tiếp điện bởi đường vi dải thông qua một khe hở hay một rãnh rạch
trên mặt phẳng đất chung của patch và đường tiếp điện vi dải như trong hình 2.5.
Khe có các kích thước là La x Wa và tâm khe tại điểm (x0, y0). Độ rộng của đường vi
dải là W và được in trên một chất nền có độ dày t và hằng số điện môi εrf. Trở kháng
đặc trưng của đường vi dải được kí hiệu là Z0m và trở kháng đặc trưng của khe được kí
hiệu bởi Z0s. Việc ghép khe với giữa patch và đường vi dải xảy ra bởi vì khe “phá vỡ
sự liên tục” của dòng điện chạy theo dọc theo patch. Phân tích anten vi dải ghép khe
cho thấy: hầu hết các đặc tính đều tương tự với anten khe tiếp điện bằng đường vi dải.
Kỹ thuật tiếp điện ghép khe được giới thiệu bởi Pozar và nó có nhiều ưu điểm so với
các kỹ thuật tiếp điện khác. Các ưu điểm đó là: bảo vệ được anten khỏi sự bức xạ “giả”
từ phần tiếp điện (spurious feed radiation), sử dụng chất nền cho cả cấu trúc tiếp điện
và anten, sử dụng chất nền dày để tăng băng thông của anten.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến 29
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Hình 2.5. Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [7]
2.2.5. Kỹ thuật kích thích đa mode
Sử dụng nhiều mode cộng hưởng là phương pháp rất hiệu quả trong thiết kế các anen
vi dải băng rộng. Ý tưởng cơ bản của phương pháp này xuất phát từ các bộ cộng
hưởng (resonator) được ghép, trong đó thì 2 bộ cộng hưởng hay nhiều hơn được ghép
với nhau để bao phủ toàn dải tần mong muốn. Phương pháp này được áp dụng cho
nhiều hình dạng patch khác nhau. Có nhiều phương pháp để thiết kế theo khái niệm
này với mục tiêu tăng băng thông trở kháng (impedance bandwidth). Ta khảo sát một
phương pháp, trong đó dùng 2 thành phần cộng hưởng hay nhiều hơn (tần số cộng
hưởng của mỗi thành phần khác nhau đôi chút), mỗi thành phần cộng hưởng này được
ghép “sát” với thành phần cộng hưởng khác. Việc ghép “sát” được điều khiển để tăng
băng thông. Các phương pháp thông thường nhất để mở rộng băng thông sử dụng
phương pháp ghép kí sinh (parasitic coupling) được mô tả ngay sau đây.
2.2.5.1. Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng
Anten vi dải với 2 patch được xếp chồng điển hình được thể hiện trong hình 2.6. Ảnh
hưởng của việc xếp chồng các patch được nghiên cứu đầu tiên vào năm 1978 ngay khi
các nghiên cứu về anten vi dải bắt đầu. Patch bên dưới có thể được tiếp điện bằng một
connector đồng trục hay bởi một đường vi dải. Patch bên trên được ghép “sát” với
patch bên dưới. Kích thước của patch phía trên hơi khác kí...


rJbf6seL8A16nO4

---