(TIỂU LUẬN) báo cáo ANTEN và TRUYỀN SÓNG CPW fed planar printed monopole antenna with impedance bandwidth enhanced

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

BÁO CÁO ANTEN VÀ TRUYỀN SĨNG
CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna With
Impedance Bandwidth Enhanced

GVHD: Phan Xuân Vũ
Họ và tên sinh viên: Mai Thị Quỳnh Anh
MSSV: 20192685
Mã lớp lý thuyết: 128203
Lớp: CTTN – Điện tử truyền thông

Hà Nội, tháng 1 năm 2022


LỜI MỞ ĐẦU
Anten là một thiết bị khá quan trọng trong hệ thống truyền thơng vơ tuyến, có khả
năng bức xạ và thu nhận sóng điện từ được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
trong đời sống. Hiện nay, anten có băng tần siêu rộng đang được quan tâm. Trong
số đó, Anten đơn cực (monopole antenna) đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống truyền thông băng siêu rộng (ultrawideband – UWB) vì cấu trúc đơn giản,
chi phí thấp và bức xạ đa hướng. Và trong bài báo cáo mơn Anten và truyền sóng,
em xin phép được giới thiệu CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna Anten đơn cực hình chữ nhật được cấp nguồn CPW với thiết kế đơn giản, băng tần
rộng được đề xuất trong bài báo “CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna
With Impedance Bandwidth Enhanced” với mục đích ứng dụng trong các thiết
bị di động.


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................................................2

I. Chỉ tiêu kỹ thuật Anten.............................................................................................................................4
1.1. Coplanar Waveguide (CPW).....................................................................................................4
1.2. CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna..........................................................................4
1.3. Chỉ tiêu kỹ thuật:........................................................................................................................5
II. Chi tiết thiết kế........................................................................................................................................5
2.1. Thông số anten............................................................................................................................5
2.2. Tiếp điện......................................................................................................................................6
2.3. Giới hạn mô phỏng.....................................................................................................................7
III. Kết quả mô phỏng..................................................................................................................................7
3.1. Thông số mô phỏng....................................................................................................................8
3.2. Đồ thị S11 tại 13.35 GHz và hệ số tăng ích (Gain).....................................................................8
3.3. Co-Polarization and Cross-Polarization của anten................................................................ 10
3.4. Dòng điện trên bề mặt anten tại 2.3 – 10 – 15 GHz (Surface antenna)................................. 14
IV. Tối ưu tham số...................................................................................................................................... 15
V. Kết luận.................................................................................................................................................. 17
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hinh 1. Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide)............................................................................. 4
Hinh 2. CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna................................................................................................ 4
Hinh 3. Chi tiết thông số anten.................................................................................................................................. 5
Hinh 4. Hai mặt phẳng đất của CPW......................................................................................................................... 6
Hinh 5. Tiếp điện bằng waveport............................................................................................................................... 6
Hinh 6. Giới hạn mô phỏng của anten....................................................................................................................... 7
Hinh 7. Bảng tham số anten mô phỏng...................................................................................................................... 8
Hinh 8. Đồ thị S11 tại 13.35 GHz............................................................................................................................... 8
Hinh 9. Đồ thị S11 của anten được đề xuất................................................................................................................. 9
Hinh 10. Đồ thị Gain tại 13.35 GHz.......................................................................................................................... 9
Hinh 11. Đồ thị Gain tại 12.7 GHz.......................................................................................................................... 10
Hinh 12. Đồ thị Gain tại 24.1 GHz.......................................................................................................................... 10
Hinh 13. Co-pol và Cross-pol tại 2.3 - 10 - 15 GHz................................................................................................. 12
Hinh 14.Co-pol và Cross-pol tại 2.3 - 10 - 15 GHz của anten được đề xuất............................................................. 13

Hinh 15. Phân bố dịng điện của anten mơ phỏng.................................................................................................... 14
Hinh 16. Phân bố dòng điện của anten được đề xuất................................................................................................ 14
Hinh 17. Đồ thị S11 tối ưu........................................................................................................................................ 15
Hinh 18. S11 với b tăng 0.1mm................................................................................................................................ 16
Hinh 19. Đồ thi 3D Gain tại tần số 13.35 - 12.7 - 24 GHz....................................................................................... 16
Hinh 20. S11 với b giảm 0.69mm............................................................................................................................ 17
Hinh 21. Đồ thi 3D Gain tại tần số 13.35 - 12.8 – 24.2 GHz.................................................................................... 17


I. Chỉ tiêu kỹ thuật Anten
1.1. Coplanar Waveguide (CPW)

Hình 1. Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide)

Ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) là một đường truyền phẳng được sử dụng rộng
rãi cho thiết kế vi mạch tích hợp vi sóng phù hợp cho anten có băng thơng rộng.
Coplanar Waveguide bao gồm một dải dây dẫn trung tâm và hai mặt phẳng mặt đất
nằm ở hai bên được phân tách bằng một khoảng cách hẹp s. Tất cả nằm trong cùng
một mặt phẳng.
1.2. CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna

Hình 2. CPW-Fed Planar Printed Monopole Antenna

Anten được đề xuất trong bài báo là anten đơn cực hình chữ nhật được cấp nguồn
CPW có thiết kế đơn giản, băng thơng rộng.


Cấu tạo anten bao gồm: Một bản vá hình chữ nhật được khoét một rãnh hình chữ
M ở dưới, ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) có hai mặt phẳng đất phần dưới thuôn
nhọn được mài ra khỏi rãnh và phần trong rãnh hình chữ T.

1.3. Chỉ tiêu kỹ thuật:
Tại S11 < -10dB:
Băng thông: 2.4 – 24.3 GHz.
FBW (fractional bandwidth) = 164%.
f −f

Với FBW =

2

f

1

c

Trong đó : f 1: tần số hoạt động thấp nhất.
f 2 :tần

số hoạt động cao nhất.
f + f
f c= 2 2 1
Hế số tăng ích (Gain): 0.7 – 4.4 dBi
AI.

Chi tiết thiết kế

2.1. Thông số anten

Hình 3. Chi tiết thơng số anten

Kích thước anten: (Đơn vị: mm)


w 0=30 , w=23 , w c=2.8 ,l0 =41 ,l =26.6 , l1 =6.0 ,l2 =1.0 ,

gc=0.2, d1=0.45 , d2=2.5 , d3=1.9 , b=6.3 , a=12.9 ,θ=18.1° .

Vật liệu nền: FR4 (ε r=4.4),h=0.5 mm.

Hình 4. Hai mặt phẳng đất của CPW

CPW thuôn nhọn được mài ra khỏi rãnh được vẽ theo phương trình:
y=
−265( z +0.005)
+2.5 (mm).
2.2. Tiếp điện
Anten được tiếp điện ngoài bằng waveport liên kết hai tấm GND và dải đây dẫn
trung tâm của anten với trở kháng 50Ω.

Hình 5. Tiếp điện bằng waveport


2.3. Giới hạn mô phỏng.
1+ εr
εe =
2 =2.7
ff

Tần số trung tâm: 13.35 GHz.

Bước sóng:

λ=

f

c
εeff ≈ 13.676mm

√

Kích thước giới hạn mơ phỏng:

Hình 6. Giới hạn mô phỏng của anten

Trục Ox: dx =

2 λ
3 + h (mm)

Trục Oy: dy =

2 λ
3 + w0 (mm)

λ
Trục Oz: dz = 3 +¿ l0 (mm)
III. Kết quả mô phỏng

3.1. Thông số mô phỏng

Hình 7. Bảng tham số anten mô phỏng

Solution frequency: 13.35 GHz
Frequency sweep: 2 – 30 GHz
3.2. Đồ thị S11 tại 13.35 GHz và hệ số tăng ích (Gain).
3.2.1. S11
Name
m1

X

Y
3.9000

-9.6373
-13.0079

4.0000
m2
m3

27.3000

-10.0612

m4

24.1000

-22.6303

m5

12.7000

-24.8695
m1

-10.00
m2

-15.00

dB(S(1,1))

-20.00

-25.00

-30.00

-35.00


-40.00

-45.00
2.00

4.00

Hình 8. Đồ thị S11 tại 13.35 GHz


Tại f = 12.7 GHz, S11 = -24.87 dB
f = 24.1 GHz, S11 = -22.63 dB

Băng th
FB
Nhận xét: Băng thông anten mô phỏng với S11 < -10 dB rộng hơn, FBW thấp hơn
anten được đề xuất.
Trong bài báo hai tần số anten hoạt động tốt nhất tại f1 = 11 GHz và f2 = 20.5
GHz khác với anten mô phỏng.
3.2.2. Hệ số tăng ích (Gain)


Tần số 13.35 GHz

Hình 10. Đồ thị Gain tại 13.35 GHz

Tại tần số khảo sát f = 13.35 GHz, hệ số tăng ích hướng bức xạ lớn nhất là 1.7 dB.


Nhận xét: hệ số tăng ích nằm trong dải gain anten được đề xuất.


Tần số 12.7 GHz

Hình 11. Đồ thị Gain tại 12.7 GHz

Tại tần số khảo sát f = 12.7 GHz, hệ số tăng ích hướng bức xạ lớn nhất là 1.34 dB.


Tần số 24.1 GHz

Hình 12. Đồ thị Gain tại 24.1 GHz

Tại tần số khảo sát f = 24.7 GHz, hệ số tăng ích hướng bức xạ lớn nhất là 6.7 dB.
Nhận xét: Hệ số tăng tích của anten mô phỏng tại f = 24.7 GHz lớn hơn hệ số
tăng ích lớn nhất của anten được đề xuất.
3.3. Co-Polarization and Cross-Polarization của anten.
3.3.1. Khái niệm.
Co-Polarization (Đồng phân cực) là khi hai lưỡng cực của anten được định
hướng theo cùng một hướng.


Cross – Polarzation (Phân cực chéo) là phân cực trực giao với phân cực
mong muốn.
Đồ thị của Co-Polarization, Cross- Polarizaation được vẽ trên hai mặt phẳng
Azimuth pattern và Elevation pattern.
Thuật ngữ “azimuth” (góc phương vị) thường được dùng để chỉ "đường chân
trời" hoặc "phương ngang" trong khi trong khi thuật ngữ “elevation” (độ cao)
thường đề cập đến "phương thẳng đứng". Ở đây, Azimuth pattern là mặt phẳng
xOy (θ=900) – mặt phẳng cắt ngang và Elevation pattern là mặt phẳng yOz (φ=900)
– mặt phẳng cắt thẳng đứng của đồ thị các tham số dạng 3D của anten.
3.3.2. Kết quả mô phỏng
Tần số khảo sát (theo bài báo): 2.3 GHz, 10 GHz, 15 GHz.
Co-PolarizationCross- Polarizaation

Azimuth Pattern 2.3GHz

Elevation Rattern 2.3GHz


0

-30

-12.00

-24.00

-60

-36.00

-48.00

-120

-150

-180


Elevation pattern 10GHz
Azimuth Pattern 10GHz

dB(GainPhi)
Setup2 : LastAdaptive

0

0

-30

-30
-10.00

-20.00

-10.00

-60
-20.00

-30.00

-60

-40.00

-30.00

-40.00

-90

-120

-120

-150
-180

-150

Elevation Pattern 15GHz

-180

Azimuth Pattern 15GHz

0

-30

-7.00

-14.00
-60
-21.00

-28.00

-120

-150

-180

Hình 13. Co-pol và Cross-pol tại 2.3 - 10 - 15 GHz


Hình 14.Co-pol và Cross-pol tại 2.3 - 10 - 15 GHz của anten được đề xuất


Nhận xét: Hình dạng đồ thị của anten mơ phỏng tương đối giống với đồ thị anten
được đề xuất. Khi tần số tăng, đặc tính bức xạ tăng đồng thời phân cực chéo (crosspol) cũng tăng theo giống với anten được đề xuất.
3.4. Dòng điện trên bề mặt anten tại 2.3 – 10 – 15 GHz (Surface antenna)

Hình 15. Phân bố dịng điện của anten mơ phỏng

Hình 16. Phân bố dòng điện của anten được đề xuất

Nhận xét: Dòng điện trên bề mặt anten tại 2.3 GHz (a), 10 GHz (b) và 15 GHz (c)


mơ phỏng có phân phối gần giống trong bài báo.
IV. Tối ưu tham số
0.00

-5.00

m5
-10.00

-15.00

dB(S(1,1))

-20.00

-25.00

-30.00

-35.00

-40.00

-45.00
-47.51
2.00

4.00

Hình 17. Đồ thị S11 tối ưu

Sau nhiều lần tối ưu các tham số của anten mô phỏng với mục đích giảm giá trị S11,
em thấy rằng khi
Tăng b thêm 0.1mm (đường màu đen):
Băng thông (GHz)

4 – 27.2

FBW (%)

148.7


Name

X

m2

27.5000

Y

m3

12.7000

m4

24.0000

-21.3153

m5

3.9000

-9.8269

-9.8448
-24.8520

-5.00

-10.00

-15.00


dB(S(1,1))

-20.00

-25.00

-30.00

-35.00

-40.00

-45.00
2.00
Freq [GHz]

Hình 18. S11 với b tăng 0.1mm

FBW = 150.3%

Hình 19. Đồ thi 3D Gain tại tần số 13.35 - 12.7 - 24 GHz

Giảm b đi 0.69 mm (đường màu đỏ):
Băng thông (GHz)
FBW (%)

4.6 – 27.8
143.2


Name

X

m1

12.8000

Y

m4

28.2000

m5

24.2000

-25.7641

m6

5.0000

-9.8457

-39.4275
-9.8527

-5.00

-10.00

-15.00

dB(S(1,1))

-20.00

-25.00

-30.00

-35.00

-40.00

-45.00
2.00

4.50
Freq [GHz]

Hình 20. S11 với b giảm 0.69mm
FBW = 139.8%

Hình 21. Đồ thi 3D Gain tại tần số 13.35 - 12.8 – 24.2 GHz
Nhận xét: Sau khi tối ưu S11 tại các tần số hoạt động tốt nhất của anten mô phỏng
giảm đi so với anten mô phỏng ban đầu tuy nhiên FBW giảm và chưa đạt được các
chỉ tiêu kỹ thuật của anten được đề xuất trong bài báo.


V. Kết luận


Anten mơ phỏng có băng thơng 3.9 – 27.3 GHz và FBW = 150% tuy chưa đạt chỉ
tiêu kỹ thuật của anten trong bài báo nhưng đã thấy được anten đơn cực hình chữ
nhật được in phẳng có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ và tốt đặc tính băng rộng.
Thơng qua q trình làm báo cáo và mơ phỏng anten, em đã hiểu và học thêm được
nhiều kiến thức của mơn Anten và truyền sóng. Em xin cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt
tình của thầy Phan Xuân Vũ trong suốt quá trình học tập vừa qua. Bài báo cáo cịn
có sai sót, em mong được thầy và các bạn góp ý.