Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến

MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT I DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH II DANH MỤC BẢNG BIỂU IV LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................3 CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI 4 1.1 Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna) 4 1.2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải 5 1.3 Một số loại anten vi dải thông dụng 6 1.3.1 Anten patch vi dải 6 1.3.2 Anten khe mạch in 7 1.3.3 Anten vi dải lưỡng cực 8 1.3.4 Anten vi dải sóng chạy 8 1.4 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 9 1.4.1 Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải 9 1.4.2 Tiếp điện bằng probe đồng trục 10 1.4.3 Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling) 11 1.4.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling) 11 1.5 Anten patch hình chữ nhật 12 1.6 Nguyên lý bức xạ anten vi dải 14 1.7 Các mô hình phân tích anten vi dải 16 1.7.1 Mô hình đường truyền (Transmission line) 16 1.7.2 Mô hình hốc cộng hưởng 20 1.8 Các thông số khác của anten vi dải 23 1.8.1 Băng thông của anten vi dải 23 1.8.2 Phân cực của anten vi dải 24 1.8.3 Độ định hướng của anten vi dải 24 1.9 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG 26 2.1 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế anten 26 2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số chất nền 26 2.1.2 Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp 27 2.1.3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp 27 2.2 Kỹ thuật mở rộng băng thông 28 2.2.1 Kỹ thuật kích thích đa mode 28 2.2.2 Tăng độ dày chất nền 30 2.2.3 Kỹ thuật DGS 30 2.3 Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản 31 2.3.1 Thiết kế thành phần bức xạ 31 Tính toán kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo công thức sau: 31 2.3.2 Thiết kế đường truyền vi dải 32 2.3.3 Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng 34 2.4 Kết luận chương 35 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG 36 3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng CST 36 3.2 Mục tiêu thiết kế 37 3.3 Cấu trúc thiết kế 37 3.4 Tính toán thiết kế 37 3.5 Kết quả mô phỏng 40 3.6 Đánh giá 44 3.7 Kết luận chương 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 45 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt CST Computer simulation technology Phần mềm mô phỏng công nghệ trên máy tính GSM Global system for mobile communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu MPA Microstrip patch antenna Anten bức xạ vi dải CPW Coplanar waveguide ống dẫn sóng đồng phẳng GND Ground Đất MTA Microstrip traveling – wave antenna Anten vi dải sóng chạy TM Transverse magnetic Từ trường ngang BW Bandwidth Băng thông DGS Defected ground structure Cấu trúc mặt đấu khuyết thiếu HPBW Half power beam width Độ rộng búp sóng nửa công suất WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ 4 Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng 5 Hình 1.3 Anten patch vi dải 7 Hình 1.4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải 7 Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in 8 Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực 8 Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy 9 Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải 10 Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục 11 Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe 11 Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần 12 Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật 13 Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía 17 Hình 1.14 Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp 19 Hình 1.15 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật. 20 Hình 1.16 Mô hình hốc cộng hưởng 21 Hình 1.17 Các mode của anten vi dải patch hình chữ nhật 23 Hình 2. 1 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở kháng 26 Hình 2. 2 Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe 29 Hình 2. 3 Một số khuôn mẫu DGS 31 Hình 2. 4 Tính toán trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải 34 Hình 3. 1 Giao diện phần mềm CST.........................................................................36 Hình 3. 2 Hình dạng anten vi dải hình chữ nhật tiếp điện bằng đường vi dải cắt sâu 38 Hình 3. 3 Cấu trúc 3D anten vi dải ban đầu 39 Hình 3. 4 Anten vi dải sau khi kết hợp cấu trúc DGS dạng 3D và mặt sau anten 39 Hình 3. 5 Tần số cộng hưởng tính theo lý thuyết bị lệch 40 Hình 3. 6 Thông số S11 của anten vi dải với f= 5,25 GHz 40 Hình 3. 7 Bức xạ 3D và 2D của anten ban đầu 41 Hình 3. 8 Tham số VSWR của anten vi dải 41 Hình 3. 9 Anten với độ dày chất nền thay đổi h=2,2 mm và h=2,6mm 42 Hình 3. 10 Anten với DGS ở dưới giữ nguyên độ dày h 42 Hình 3. 11 Anten với DGS ở bên trái patch và giữ nguyên độ dày h 43 Hình 3. 12 Tham số S11 của anten vi dải sau cải thiện băng thông 43 Hình 3. 13 Đồ thị bức xạ và hiệu suất của anten vi dải dạng 3D và trong mặt phẳng E sau khi cải thiện băng thông 44 Hình 3. 14 Tham số VSWR của anten vi dải sau khi cải thiện băng thông 44   DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bảng so sánh băng thông của các hình dạng patch tại VSWR=2 27 Bảng 2 Các thông số đầu vào của anten vi dải 37 Bảng 3 Các thông số thiết kế anten vi dải 37 Bảng 4: Thông số kích thước của cấu trúc DGS 39 Bảng 5 So sánh các thông số của anten vi dải ban đầu và anten cải thiện băng thông 44 LỜI MỞ ĐẦU Cho đến thời điểm hiện tại không thể phủ nhận vai trò quan trọng của truyền thông vô tuyến và các thiết bị liên quan, nó gắn liền với cuộc sống hàng ngày và phủ sóng khắp toàn cầu, những năm gần đây sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến đã thúc đẩy sử phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến, cùng với sự phát triển đó thì anten thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống viễn thông nào cũng không ngừng được quan tâm nghiên cứu phát triển để phù hợp với các thiết bị thông tin vô tuyến hiện đại. Những nghiên cứu về anten mang ý nghĩa hiệu quả truyền thông vô tuyến được quan tâm nhất đầu tiên phải kể đến là anten vi dải . Nhờ các ưu điểm nối bật như: có kích thước mỏng, nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ dàng sản xuất, dễ phối hợp trở kháng và dễ tích hợp các cấu trúc trên bề mặt, mà anten vi dải đã được lựa chọn làm anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến như: Điện thoại di động cầm tay, các kỹ thuật lường từ xa, các mạng wifi... Tuy nhiên anten vi dải lại có hạn chế lớn về mặt băng thông, băng thông rất hẹp trong khi rất nhiều ứng dụng hiện nay đòi hỏi anten phải có kích thước nhỏ, băng thông rộng và đồng thời lại có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau. Với những yêu cầu thực tế trên, em lựa chọn đề tài ‘’Nghiên cứu thiết kế anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến’’ làm đồ án tốt nghiệp mình, đồ án sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng anten. Nội dung của báo cáo đồ án được chia làm ba chương: Chương 1: Sơ lược về anten vi dải Chương 2: Phân tích phương pháp tính tính toán, thiết kế anten vi dải băng rộng Chương 3: Thiết kế, mô phỏng anten vi dải băng rộng bằng phần mềm CST