THIẾT KẾ DÃY ANTEN VI DẢI BĂNG TẦN 2.4 GHz

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN MƠN

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP SỐ

Đề Tài:

THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI 2.4 GHz

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Đào Ngọc Chiến
Học viên cao học
: Lưu Văn Dũng
MSHV: CB110820
Tô Văn Hùng
MSHV: CB110858

Lớp

: BK01

Hà Nội


THIẾT KẾ DÃYANTEN VI DẢI
BĂNG TẦN 2.4 GHz
I. Giới thiệu Anten vi dải
Khái niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm

1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế
tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson và
được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t << λ0,
λ0 là bước sóng trong khơng gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất nhỏ ( h
<< λ0, thường thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0). Patch của anten vi dải được thiết kế để có đồ
thị bức xạ cực đại. Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trường
bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch. Bức xạ end-fire cũng có thể thực hiện được
bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động. Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L
thường được sử dụng trong khoảng λ0/3 < L< λ0/2. Patch và mặt phẳng đất được tách
biệt bởi một lớp điện mơi nền như hình 1.1.

Hình 1.1 – Anten vi dải


Có nhiều điện mơi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số điện môi
của chúng thường nằm trong khoảng 2.2< εr < 12. Những lớp điện môi được sử dụng để
thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của chúng thường thấp hơn
giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ
các trường tổn hao vào trong khơng gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Giới
hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong khơng gian, nhưng kích thước các phần tử
lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện mơi lớn hơn có thể được sử dụng để thiết kế các
mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và
kết hợp không mong muốn, đồng thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn. Tuy
nhiên vì sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thơng nhỏ hơn.
1. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác. Chúng
cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vng (square), hình trịn
(circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành
khuyên (annular ring).

Hình 1.2 – Các dạng anten vi dải thông dụng.
Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải, anten
khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải.


 Anten patch vi dải
Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay
không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng
còn lại của đế. Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của
chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một dipole. Trong số các loại
anten patch vi dải, anten có dạng hình vng và hình trịn là hai dạng thơng dụng và sử
dụng rộng rãi.
 Dipole vi dải
Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vng nhưng chỉ khác
nhau tỷ số L/W. Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong
khơng gian tự do. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống nhau tuy
nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo
(cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau. Anten dipole vi dải thì thích hợp với các ứng
dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện mơi có bề dày tương đối dày do vậy
chúng đạt được băng thông đáng kể. Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và
phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải.
 Printed Slot Antenna
Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của một đế
được nối đất (ground substrate). Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như là:
hình chữ nhật, hình trịn, hình nến,.. Anten loại này bức xạ theo hai hướng nghĩa là
chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướng bằng cách
sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe.
 Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)

MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạn đường
truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE. Trong đó, đầu của
anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng
đứng trên anten. Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ
phương nào từ broadside đến endfire.
2. Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác. Do đó,
anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến
100Ghz. MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với
nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn cịn một số khuyết điểm cần được khắc phục.
 Ưu điểm:
 Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng.
 Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt.
 Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản.
 Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất
đồng thời với việc chế tạo anten.
 Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền.
 Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng.
 Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân.
 Khuyết điểm:


MSA có băng thơng hẹp và các vấn đề về dung sai.

 Một số MSA có độ lợi thấp.
 Khả năng tích trữ cơng suất thấp.
 Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa khơng gian phía trên mặt phẳng đất.
 Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối.

MSA có băng thơng rất hẹp, thơng thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn
nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng.
Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng.
 Một số ứng dụng của MSAs:
 Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường
được dùng.
 Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ.
 Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị
 Vũ khí thơng minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.
 GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.

II. Thiết kế anten vi dải
1. Thiết lập mô hình
Mơ hình của anten vi dải được vẽ trong phần mềm HFSS. Nó bao gồm substrate
và lớp metal trace như trong hình 1. Lưu ý rằng bộ biến đổi ¼ bước sóng được
dùng để kết hợp với đường dẫn patch tới đường feed line 50Ω. Kích thước của
anten được đưa ra như phong file mơ phỏng HFSS.

Hình 1 Anten vi dải gồm substrate và patch trace


2. Thiết lập cổng waveport
Để kích thích cấu trúc thì một nguồn kích thích phải được chọn.Đối với mơ
phỏng này thì cổng waveport được sử dụng. Waveport sẽ kích thích mode đầu
tiên của đường vi dải (quasi – TEM) và sau đó HFSS sẽ dùng trường này để kích
thích tồn bộ cấu trúc. Để nhận được một kết quả chính xác, thì cổng waveport
phải được định nghĩa đúng.Nếu nó quả nhỏ thì trường sẽ bị cắt bớt, cịn nếu nó
q lớn thì đường dẫn sóng có thể xuất hiện. Từ độ cao của substrate là 1.57mm
và độ rộng feed line là 4.84 mm, kích cỡ waveport được lựa chọn là cao 5 mm,

rộng 50 mm. sau đó thì waveport hình chữ nhật được vẽ, sự kích thích waveport
được gán cho nó. Trong phần phân tích, thì sẽ đưa ra kích cỡ chính xác của
waveport của phương thức vi dải mong muốn.

3. Điều kiện khơng khí và đường bao
Phần khơng khí phải được định nghĩa ở đây tới kiểu không gian mở mà bức xạ từ
cấu trúc được hấp thụ và khơng phản xạ trở lại.Airbox nên là độ dài ¼ bước sóng
của tần số của hướng mong muốn của trường bức xạ.Trong các hướng mà ở đó
bức xạ là nhỏ nhất, điều kiện ¼ bước sóng khơng thấy và khoảng khơng khí thậm
chí khơng thể được định nghĩa. Từ bức xạ của một anten vi dải được tập trung tai
ở mặt bên, một hộp hình chữ nhật bao bọc cấu trúc được dùng, độ cao của airbox
là 31.25 mm ( ¼ bước sóng tại 2.4 GHz). Anten với thiết lập airbox và waveport
được đưa ra như trong hình 2.


Hình 2: Patch anten đưa ra airbox và waveport.
Tiếp theo, với 4 mặt bên và mặt trên của airbox được lựa chọn và đường bao bức
xạ được sử dụng. mặt dưới và path anten trace được lựa chọn và đường bao dẫn
hữu hạn sử dụng vật liệu đồng.

4. Meshing
Được thực hiện trên airbox để nhận được kết quả chính xác cho các thuộc tính
anten ví dụ như hiệu suất hướng, kiểu bức xạ.Cấu trúc này khởi tạo độ dài cho
airbox được thiết lập tới 12.5 mm.


Hình 3: Cửa sổ thiết lập Mesh.
5. Thiết lập phân tích/ quét
Thiết lập solution setup :
Solution frequency: 2.4GHz

Maximum # of Passes: 15
Maximum Delta S: 0.02.


6. Kết quả đồ thị
- Đồ thị S11

Hình 4 : đồ thị S11
- Đồ thị phân bố trường E của anten ở 2.36 Ghz

Hình 5 : đồ thị phân bố trường E
- Mặt phẳng E và H được biểu diễn


Hình 6 : đồ thị phân bố E và H
- Đồ thị bức xạ 3D

Hình 7 : đồ thị bức xạ 3D