BÀI TẬP LỚN MÔN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử Viễn Thơng
====o0o====

BÀI TẬP LỚN
MƠN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ
Đề tài:
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ
KỸ THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Đào Ngọc Chiến
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Thành Trung
Nguyễn Đình An
Đinh Tiến Hiệp

Lớp

: Kỹ thuật truyền thơng 1

Khóa

: 2011B
Hà Nội, 5/2022


MỤC LỤC

2

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ
THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI
I. MỤC ĐÍCH
Giúp cho sinh viên hiểu được vai trị,vị trí của anten trong các hệ thống
truyền thông vô tuyến. Sinh viên được tiến hành mô phỏng khảo sát các thông số
kỹ thuật của anten bằng phần mềm mơ phỏng HFSS, tính tốn thiết kế và chế tạo
anten vi dải hoạt động ở dải tần yêu cầu, sử dụng máy phân tích mạng (network
analyzer) để đo đạc khảo sát các thông số kỹ thuật của một số anten mẫu.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền
thông khơng dây. Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ
định hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại.
Anten và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trị là thiết bị ghép giữa các mạch điện
tử và không gian tự do, feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử.
Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận
năng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian. Ngoài việc phối hợp
trở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng về độ lợi và phương hướng bức
xạ.
Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông
vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với
độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thơng tin vi
ba, thơng tin vệ tinh... còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như
anten Yagi,anten dây,... và đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ
của các đầu cuối di động thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và
3


không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng.

Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước rất nhỏ có cấu tạo gồm một
lớp kim loại là mặt bức xạ, một lớp kim loại khác gọi là mặt đất (màn chắn kim
loại ), một lớp điện môi giữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp điện. Anten vi
dải có nhiều hình dạng như hình trịn,hình tam giác, hình vng, hình chữ nhật...
trong đó, loại phổ biến nhất có kết cấu hình chữ nhật vì có hướng tính, độ lợi cao
đồng thời dễ kết hợp với các mạch điện tử trên cùng một mạch in.
Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten
-

Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten. Anten ln làm
việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó cơng suất bức xạ của anten là lớn nhất.

-

Hệ số định hướng của anten theo hướng cực đại được định nghĩa bằng tỷ số
cường độ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độ trường bức
xạ của một anten chuẩn củng ở vị trí tương ứng (D). Hệ số tăng ích (Độ lợi)
của anten (G=e.D), trong đó e là hiệu suất bức xạ của anten;

-

Trở kháng vào của anten : ZA = RA + jXA

Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng,Thơng
thường trở kháng đặc tính của feeder là R0 để phố hợp trở kháng thì ZA = R0
-

Hệ số tổn hao RL (dB) đánh giá mức độ phản xạ của sóng tại điểm kết nối
anten với feeder

-

Hệ số sóng đứng SWR đánh giá mức độ khơng phối hợp trở kháng giữa
anten và feeder.

Trong đó:
W là chiều rộng mặt bức xạ;
L là chiều dài mặt bức xạ;
h là bề dày của lớp điện môi;
4


Wg là chiều rộng của mặt phẳng đất;
Lg là chiều dài của mặt phẳng đất.
III. TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ
THUẬT CỦA ANTEN
Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt bức xạ, mặt phẳng đất và lớp điện
môi ở giữa 2 mặt kim loại trên. Kích thước của mặt bức xạ, chiều cao và hệ
số điện môi là những thông số quyết định tần số cộng hưởng của anten, nên
chúng phải được lựa chọn và tính tốn chính xác.
Chọn vật liệu chế tạo anten là tấm mạch in hai mặt có hệ số điện môi và độ dày
là: εr = 4.5; h = 1.6 mm;
Tính tốn kích thước của anten vi dải làm việc ở tần số:
Giải tần GSM: f0= 1900 MHz
Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo cơng thức:

Với c = 3x108 m/s ( c là vận tốc ánh sáng), f0 là tần số cộng hưởng của anten, εr là
hệ số điện môi của lớp điện môi.
Hệ số điện mơi hiệu dụng εreff phụ thuộc cả vào các kích thước (W , h) và nó
được xác định theo cơng thức:

Thay số vào ta có

εreff ≈ 4.22

Độ dài hiệu dụng của anten được xác định theo công thức:
5


c
2 fo

L eff ≈

6

reff


Thay số vào ta có

Leff ≈ 0.038

Độ tăng độ dài ∆L được tính theo cơng thức:

thay số vào ta có ΔL ≈ 0.76(mm) Độ dài thực của mặt bức xạ được tính bởi
cơng thức:
L = Leff - 2∆L =0.038 - 2x0.76x10-3≈ 0.766 (mm)
Kích thước của mặt phẳng đất ( Wg và Lg ) được xác định theo công thức:
Wg ≈ 6h + W

Wg ≈ 6x1.6 + 48 ≈ 58(mm) Lg ≈ 6h + L
Lg≈ 6x1.6 +36 ≈46 (mm)
* Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải
a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (hình 1)
Trong phương pháp tiếp điện cho anten vi dải bằng cáp đồng trục thì lõi cáp
được hàn tiếp xúc với mặt bức xạ, vỏ cáp tiếp xúc với mặt phẳng đất.
Vị trí tiếp điện tốt nhất được tính tốn và xác định có tọa độ ( L/4, W/2)
Phương pháp tiếp điện này có các ưu điểm là dễ thực hiện và khơng có bức
xạ phụ.
b. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Trong kỷ thuật tiếp điện này, một dải dẫn được kết nối trực tiếp đến cạnh của
mặt bức xạ anten vi dải. Dải dẫn được thiết kế trên cùng bề mặt với mặt
bức xạ.
Chiều rộng của dải dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của mặt bức xạ.
Vị trí tiếp điện có tọa độ (L/2, 0).
Kích thước của dải dẫn (Wf ; Lf ) được xác định như sau:
Trở kháng đặc tính của đường truyền là: Zo = 50Ω
Chiều rộng của dải dẫn được tính theo cơng thức sau :


Mối quan hệ giữa chiều dài và chiều rộng: Lf /Wf = 3.96
IV. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HFSS
HFSS ( Hight Frequency Structure Simulator ) là phần mềm mơ phỏng
trường điện từ theo phương pháp tồn sóng (full wave) để mơ hình hóa bất
kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của HFSS là có dao diện người
dùng đồ họa,tích hợp mơ phỏng, ảo hóa, mơ hình hóa 3D và tự động hóa (tự
động tìm lời giải) trong một mơi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho
các bài tốn điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác.
Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element
Method,FEM ), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing ) và kỹ thuật

đồ họa. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính tốn các tham số chẳng hạn
như: hệ số tổn hao, tần số cộng hưởng,giản đồ hướng tính,trở kháng
vào...HFSS là một hệ thống mơ phỏng tương tác,trong đó phần tử mắt lưới cơ
bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật
thể 3D nào. Đặc biệt đối với các cấu trúc dạng cong phức tạp. Ansoft là công
ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM ) để mô phỏng
trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn,chia lưới thích nghi...
Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát
triển các thiết bị RF thụ động.
Tóm tắt q trình mơ phỏng bằng phần mềm
HSFF
Để mơ phỏng một anten bất kì về cơ bản ta thực hiện các bước sau:
•
•

Chọn HFSS \ Solution Type \ Driven Terminal
Chọn đơn vị: #D Modeler \Units, chọn mm

•

Dựa vào các cơng cụ trên thanh công cụ vẽ cấu trúc của anten


vào giao diện làm việc
Tạo port để cấp nguồn

•

Chọn mặt cấp nguồn, sau đó vào HFSS \ Excitation \ Assign
- Nếu cấp nguồn bằng probe thì chọn Wave Port

- Nếu cấp nguồn bằng đường vi dải thì chọn Lumped Port
Khai báo các mặt bức xạ ( thường khai báo cho mặt phẳng đất ):

•

Chọn mắt bức xạ, sau đó vào HFSS \ Boundaries \ Assign \
Perfect E
Tạo không gian bức xạ cho anten

•

- Vẽ một Box bao trùm cả anten, thơng thường khoảng cách từ rìa anten đến
mặt Box khoảng ¼ bước sóng cộng hưởng cần thiết, sau đó vào:
HFSS \ Boundaries \ Assign \Radiation…
-

Chọn các mặt của Box ở phía mà anten có bức xạ

- Chọn HFSS \ Radiation \ Ínsert Far Field Setup \ Infinite Sphere…
- Màn hình hiện lên bảng phía Far Field Radiation Sphere Setup
- Nhập các thơng số mình muốn và nhận OK
•

Khai báo tần số cộng hưởng mong muốn, số bước lặp và sai
số lớn nhất chấp nhận được: HFSS \ Analysis Setup \ Add
Solution Setup

- Solution Frequency: nhập vào tần số cộng hưởng mong muốn
-

Maximum Number of Passed: số bước lặp tối đa của mô phỏng

- Maximum Delta S Per Pass: sai số chấp nhận được, càng nhỏ càng chính
xác.
Chương trình mơ phỏng sẻ chạy cho đến khi sai số tính tốn nhỏ hơn hoặc
bằng delta S. Khi đó xem như mơ phỏng chính xác và có hội tụ (
Converged). Nếu chạy hết tất cả các bước lặp mà vẫn khơng có sai số
nào nhỏ hơn delta S, chương trình củng sẻ tự động dừng lại. Khi đó
q trình mơ phỏng sẻ khơng hội
tụ và cho kết quả khơng chính xác. Muốn khắc phục ta phải tăng giá trị delta S
lên hoặc là tăng số bước lặp lên để nhận được kết quả chính xác. Tuy


nhiên nếu sai số tính ra ngay những bước lặp đầu tiên đã nhỏ hơn Delta S
thì kết quả nhận được cũng không đáng tin. Để tránh hiện tượng này ta
phải giảm Delta S để tăng số bước lặp của chương trình.
Thơng thường nếu chương trình chạy nhiều hơn 5 bước lặp và có hội tụ thì sẻ
nhận được kết quả chính xác.
•

Khai báo vùng tần số khảo sát ( xung quanh tần
số trung tâm) Vào HFSS \ Analysis Setup \ Add

•

Sweep
Sau khi thực hiện tất cả cơng đoạn trên, ta vào HFSS \
Validation check để kiểm tra lỗi thiết kế. Nếu khơng có lỗi, vào

•

-

HFSS \ Analyze và bắt đầu chạy mô phỏng.
Hiển thị các kết quả mô phỏng

vào HFSS \ Results \ …

V. CÁC THÔNG SỐ ĐỂ MÔ PHỎNG TẦN SỐ 1900Ghz
5.1. Thiết kế ăng ten vi dải
- Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS11 => HFSS11
- Thiết lập thông số:
+ Tool => Option => HFSS option
Tại khung General tích chọn như sau:

+ Tool => Options => Modeler options


Trong khung 3D Modele options mục Operation chọn Automatically cover
closed polylines

Trong mục Drawing chọn edit properties of new primitives

+ HFSS => Solution type => Chọn Driven Terminal

Ở đây chọn giả quyết bài toán ở tần số làm việc f0 = 1900 MHZ
- Thiết kế mặt phẳng đất: Draw => box ( đất)
+ Thông số thiết kế lớp Đất

+ Thiết lập mặt phẳng đất:
Edit => select =>
face
HFSS => Boundaries => Asign => Finite Conductivity … Ok
- Thiết kế lớp điện môi: Draw => box ( điện môi)
Thông số thiết kế lớp Điện môi

- Thiết kế mặt bức xạ => box ( bức xạ)
Thông số thiết kế lớp Mặt bức xạ


- Thiết kế lớp line => box ( line)
Thông số thiết kế lớp Line

- Thiết kế điểm cấp nguồn cho đường vi dải
Để vẽ nguồn ta vào Draw=>Rectangle (vẽ hình chữ nhật vng góc và tiếp
xúc mặt ngồi Feed Line)
Thơng số thiết kế lớp Nguồn


Thiết lập cấp điện: HFSS=>Excitations=>Asign=>Lumped Port (Nếu thấy
Feed Line ở bên mục Conducting Objects có nghĩa đã có tiếp điểm, nhấn
Ok để cấp nguồn)
- Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không
gian)
+ Thông số thiết kế lớp Không
gian


+ mặt bức xạ: Kích chọn lần lượt 4 mặt bên và mặt trên của mặt bức xạ rồi

thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation…
+ Thiết lập hướng bức xạ:

HFSS=>Radiation=>Insert

Far

Field

Setup=>Infinte=>Ok
+ Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup
ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd Frequency
Sweep…
Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto
+ Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ
Sau đó ỏ Sweep Type chọn: Fast

> chọn Ok Tạo

5.2. Thông số thiết kế Ăng ten cấp nguôn băng cáp đồng trục
- Thông số thiết kế lớp Đất (tương tự như trên)
- Thông số thiết kế lớp Điện môi (tương tự như trên)
- Thông số thiết kế lớp Mặt bức xạ (tương tự như trên)
- Thông số tiếp điện trên


- Thông số tiếp điện dưới

- Thông số thiết kế lớp Cấp nguồn :

- Thơng số vịng ngồi


- Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian)
+ Thông số thiết kế lớp Không gian

+ mặt bức xạ: Kích chọn lần lượt 4 mặt bên và mặt trên của mặt bức xạ rồi
thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation…
- Thiết lập các thông số :


+

Thiết lập hướng bức xạ: HFSS=>Radiation=>Insert Far Field

Setup=>Infinte=>Ok
+ Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup
ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd Frequency
Sweep…
Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto
+ Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ
Sau đó ỏ Sweep Type chọn: Fast

> chọn Ok Tạo

VI . Kết quả mô phỏng
6.1. Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten vi dải tần số 900
Hình mơ phỏng 3D

Tần số cộng hưởng:

Đồ thị smith:

Độ lợi:


Đánh giá về q trình và kết quả mơ phỏng:
- Độ suy hao không lớn
- Kết quả mô phỏng đạt được kết quả gần sát với tần số 900
- Hình dạng đồ thị đạt với yêu cầu đề ra
- Qua nhiều lần căn chỉnh cho thấy: với tần số khá cao là 900 thì kết
quả khó chính xác,cần tính tốn tỉ mỉ, chỉnh sửa hợp lý mới có
thể đạt kết quả tốt nhất

6.2. Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục tần
số 1900Ghz

Hình mơ phỏng 3D

Tần số cộng hưởng:


Đồ thị smith

Đồ thị 3D Polar Plot

Đánh giá kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng
trục:
- Tính tốn tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn so với thiết kế ăng ten vi dải

- Cho hình dạng mơ phỏng đạt chuẩn ít căn chỉnh hơn
- Tần số đạt được khá sát với tần số 1900khz
- Trên kết quả ta thấy độ suy hao vẫn còn khá lớn


VIII. SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN
Hệ số tổn hao =-13.437dB <-9.5dB (thỏa mãn yêu cầu) Hệ số sóng đứng
SWR = 1.52 € (1- 2)
Trở kháng vào của anten =47.41Ω <50Ω
Tần số cộng hưởng = 20.307MHz

€

(2%-10%) F Độ lợi của anten =23.775 > 3 dB
So sánh kết quả giữa thực tế và mô phỏng bằng HFSS em thấy có lệch
nhưng ở mức chấp nhận được. Điều này xảy ra có thể do trong q trình tinh
tốn lấy số liệu làm trịn và ảnh hưởng của đường Line, đường cấp điện ở mô
phỏng HFSS là lớn, trong khi yếu tố đường Line và cấp điện không làm thay
đổi kết quả như khảo sát thực tế.
Do có sự ảnh hưởng của thiết bị như để lâu ngày, thiết kế tay nên có thể
chưa thật chính xác, núm vặn giữa antenvà máy không chặt…Nên ta thấy kết
quả chưa thật chính xác với tần số khảo sát nhưng sự cách biệt khơng lớn
nên ta có thể dùng phương pháp này để chế tạo ăng ten.
Từ đó qua bài thực hành này em đã biết cách về tính tốn,thiết kế kích
thước và sử sụng phần mềm HFSS để thiết kế anten vi dải và anten đồng trục
hoạt động ở các tần số khác nhau. Có điều kiện tham gia khảo sát mạch thật và
đối chiếu nó với lý thuyết đã được học và mô phỏng.