báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài anten mạch in microstrip patch antenna

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

1.1. Hiệu ứng viền (Fringing Effects)...14

1.2. Chiều dài, chiều rộng hiệu dụng, tần số cộng hưởng...15

1.3. Trở kháng đầu vào cộng hưởng...16

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>3.Điện trở đầu vào cộng hưởng...20</b>

<b>Tài liệu tham khảo...34</b>

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>Phân công công việc...34</b>

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Hình 5. Mạch tương đương cho các cách cấp nguồn...9

Hình 6. Cấp nguồn bằng Microstrip line...9

Hình 7. Cấp nguồn bằng Coaxial probe...10

Hình 8. Cấp nguồn bằng Aperture-coupling...11

Hình 9. Cấp nguồn bằng Proximity coupling...12

Hình 10. Đồ thị bức xạ mẫu...13

Hình 11. Mảng anten cho một máy thu truyền hình vệ tinh...13

Hình 12. Minh họa Fringing Effects...14

Hình 13. Hằng số điện mơi hiệu dụng...15

Hình 14. Minh họa chiều dài hiệu dụng...16

Hình 15. Anten mạch in chữ nhật và mơ hình transmission-line tương đương...16

Hình 16. Inset feed matching techniques...17

Hình 17. λ∕4 impedance transformer matching techniques...18

Hình 18. Mơ hình anten mạch in chữ nhật...19

Hình 19. Ảnh hưởng của vị trí cấp nguồn tới điện trở đầu vào...21

Hình 20. Đồ thị bức xạ 3D and 2D và |S11| anten chữ nhật...22

Hình 21. Anten mạch in mảng thực tế...24

Hình 22. Cấp nguồn cho mảng anten...25

Hình 23. Cấp nguồn anten phân cực trịn...25

Hình 24. Cấu tạo patch anten hoạt động nhiều tần số...26

Hình 25. Cấu tạo anten PIFA...26

Hình 26. Cấu tạo Slot Antenna...27

Hình 27. Mơ hình thiết kế...28

Hình 28. Kết quả tính tốn thơng số patch...29

Hình 29. Kết quả tính tốn microstrip line...29

Hình 30. Mơ hình mơ phỏng bằng HFSS...30

Hình 31. Mặt trên mơ phỏng...30

Hình 32. Tiếp điện cho anten...31

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Hình 33. Kết quả |S11| tại tần số 3.5GHz...31

Hình 34. Kết quả tại |S11| < -10dB...32

Hình 35. Mơ hình 3D và kết quả RealizedGain...32

Hình 36. Đồ thị bức xạ mặt E (bên trái), H (bên phải)...33

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>LỜI MỞ ĐẦU</b>

Anten mạch in (Microstrip patch antenna) được sử dụng rộng rãi trong vùng tần số vi sóng vì tính đơn giản và khả năng tương thích của chúng với cơng nghệ mạch in, khiến chúng dễ dàng sản xuất dưới dạng các phần tử độc lập hoặc các phần tử của mảng. Ở dạng đơn giản nhất, anten mạch in bao gồm một miếng kim loại, thường là hình chữ nhật hoặc hình trịn (mặc dù đơi khi các hình dạng khác cũng được sử dụng) trên một đế được nối đất.

Hình 1. Anten mạch in

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>I. GIỚI THIỆU</b>

<b>1. Lịch sử </b>

Nguồn gốc của anten mạch in dường như có từ năm 1953, khi Deschamps đề xuất việc sử dụng các đường cấp vi dải để cấp một dãy các phần tử anten. Các phần tử anten in được giới thiệu không phải là các miếng vá vi dải, mà là các sừng phẳng loe ra. Tuy nhiên, khái niệm này đã phải đợi khoảng 20 năm được thực hiện sau khi phát triển bản in công nghệ bảng mạch (PCB) vào những năm 1970. Anten mạch in lần đầu tiên được Munson giới thiệu trong một bài báo chuyên đề vào năm 1972, sau đó là một bài báo năm 1974. Những bài báo này đã thảo luận về cả anten mạch in hình trịn và hình chữ nhật.

<b>2. Cấu tạo</b>

Cấu tạo anten mạch in bao gồm một dải kim loại rất mỏng (gọi là miếng vi dải patch) với độ dày t rất nhỏ so với bước sóng trong không gian tự do - được đặt trên mặt phẳng đất ₀(ground plane) và cách mặt phẳng đất độ dày h rất nhỏ so với (thông thường 0.003λ ≤ h ≤ ₀ ₀0.05λ<small>0</small>). Đối với tấm patch hình chữ nhật, chiều dài L thường nằm trong khoảng λ /3 < L < <small>0</small>₀/2; chiều rộng W thường lớn hơn L để đạt được băng thông rộng hơn. Nhưng thơng thường W = 1.5L.

-Hình 2. Anten mạch in thực tếa. Anten mảngb. Anten đơn lẻ

Hình 3. Cấu tạo anten

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Miếng vi dải patch và mặt ground được ngăn cách bởi một tấm điện môi (được gọi là chất nền – subtrate). Có rất nhiều loại chất nền khác nhau có thể được sử dụng trong thiết kế anten mạch in với hẳng số điện môi �<small>r</small> trong khoảng 2.2 ≤ �<small>r </small>≤ 12. Chất nền có hằng số điện môi càng nhỏ sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn, cải thiện băng thông, trường liên kết bức xạ yếu nhưng yêu cầu kích thước lớn. Các chất nền với hằng số điện môi cao hơn thường được dùng trong các mạch vi sóng vì chúng u cầu trường liên kết chặt để giảm thiểu bức xạ và kết nối khơng mong muốn, đồng thời kích thước phần tử cũng nhỏ hơn đi kèm với đó là hiệu suất thấp và băng thông hẹp hơn.

Các phần tử bức xạ và đường cấp nguồn thường được quang khắc (photoetched) trên đế điện mơi.

Hình 4. Các hình dạng tấm patch

Miếng patch vi dải của anten có thể được chế tạo thành hình vng, chữ nhật, dải mỏng (dipole), trịn, elip, tam giác hoặc bất kì hình dạng nào khác tuỳ vào yêu cầu. Anten mạch in với miếng vi dài hình trịn, vng, hình chữ nhật và dải lưỡng cực là phổ biến nhất bởi tính dễchế tạo, phân tích cũng như đặc tính bức xạ, đặc biệt là bức xạ phân cực chéo thấp của chúng. Các lưỡng cực vi dải được quan tâm bởi băng thông lớn và chiếm ít không gian hơn, phù hợp trong việc chế tạo các mảng.

Anten mạch in đơn lẻ hay mảng đều có thể cho phân cực thẳng hoặc phân cực tròn. Mảng các phần tử vi dải với một hay nhiều nguồn kích thích có thể được sử dụng để có tính định hướng tốt hơn.

<b>3. Phương pháp cấp nguồn</b>

Có rất nhiều cách cấp nguồn cho anten mạch in được sử dụng. Trong đó phổ biến nhất đó là dùng đường dẫn vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial probe), ghép nối khe (aperture coupling), và ghép nối gần (proximity coupling).

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 5. Mạch tương đương cho các cách cấp nguồn

3.1. Microstrip line

Đường dẫn vi dải cấp nguồn nối với tấm vi dải (patch). Đường dẫn này và tấm patch của anten được đặt trên cùng một chất nền, ở phía dưới chất nền là mặt phẳng đất (ground plane)

Hình 6. Cấp nguồn bằng Microstrip line

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Ưu điểm của phương pháp này đó là nó rất dễ để chế tạo, đơn giản trong kết nối - bằng cách kiểm sốt vị trí đặt - và đơn giản trong thiết kế mơ hình. Nó dễ để sử dụng trong các mảng phần tử.

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khi tăng độ dày h của chất nền (subtrate), sóng bề mặt và đường bức xạ của nguồn sẽ tăng lên, tạo ra các bức xạ nguồn khôngmong muốn và khiến băng thông trong các thiết kế thực tế hẹp đi từ 2 – 5%. Ngồi ra bức xạ có thể bị biến dạng với các rãnh sâu.

3.2. Coaxial probe

Sử dụng cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi và là phương pháp cơ bản trong truyền tải cao tần. Dây dẫn bên trong của cáp sẽ được gắn vào tấm patch bức xạ trong khi vỏ dẫn bên ngoài kết nối với mặt ground của anten.

Hình 7. Cấp nguồn bằng Coaxial probe

Phương pháp này cũng khá đơn giản trong thiết kế anten, dễ chế tạo và kết nối, đồng thời bức xạ không mong muốn từ nguồn thấp. Dễ dàng phối hợp trở kháng ở đầu vào thông qua việc thay đổi vị trí cấp nguồn.

Cấp nguồn bằng cáp đồng trục có nhược điểm là khi độ dày của tấm điện môi tăng lên (h > 0.02λ ) đòi hỏi cáp dài hơn, độ tự cảm của cáp tăng làm giảm băng thông, tạo ra bức xạ <small>0</small>nguồn không mong muốn. Việc cấp nguồn cho mảng bằng cáp yêu cầu số lượng đầu nối tăng, tạo ra khó khăn trong thiết kế.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

này, phương pháp cấp nguồn ghép khe không tiếp xúc (Aperture-coupling Patch – ACP) đã được tạo ra.

Hình 8. Cấp nguồn bằng Aperture-coupling

Phương pháp này là khó chế tạo nhất trong cả bốn cách cấp nguồn thông dụng và băng thông đạt được cũng bị hạn chế. Tuy nhiên, nó dễ dàng hơn để mơ hình hóa và có bức xạ nguồn được cách li khỏi miếng patch.

Phương pháp này bao gồm hai chất nền được ngăn cách bởi mặt ground đặt ở giữa. Ở mặt dưới cùng của chất nền thấp hơn có một đường dẫn vi dải. Năng lượng của đường dẫn này được dẫn tới tấm patch thông qua một khe trên mặt ground ngăn cách hai chất nền. Sự sắpxếp này cho phép tối ưu hóa tính cách li giữa nguồn cấp và phần tử bức xạ.

Thơng thường, vật liệu có hằng số điện mơi cao được sử dụng cho chất nền phía dưới vàvật liệu có hằng số điện mơi thấp cho chất nền bên trên. Mặt ground giữa các chất nền cũng cách ly nguồn khỏi phần tử bức xạ và giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ nguồn tới sự hình thành đồ thị bức xạ và tính phân cực.

Các hằng số điện của chất nền, chiều rộng đường dẫn, kích thước và vị trí của khe có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế, cải thiện băng thông. Việc phối hợp trở kháng với đầuvào thông thường được thực hiện thông qua thay đổi chiều rộng của đường dẫn phía dưới và chiều dài của rãnh.

3.4. Proximity coupling

Cấu trúc anten phương pháp này gồm 2 lớp điện môi với độ dày lớp trên lớn hơn. Tấm patch đặt ở trên cùng, đường dẫn cấp nguồn đặt ở giữa 2 lớp điện môi và dưới cùng là mặt ground.

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 9. Cấp nguồn bằng Proximity coupling

Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ. Về bản chất, phương pháp là ghép điện dung giữa tấm patch và đường cấp nguồn. Thông số của hai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thơng và giảm bức xạ rị của đường truyền. Cũng vì lí do này,bề dày của lớp điện mơi dưới mỏng hơn. Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn. Tuy nhiên phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất. Chiều dài của đường dẫn và tỷ lệ chiều rộng miếng patch có thể được sử dụng để kiểm soát phối hợp trở kháng.

Trong 4 cách cấp nguồn, phương pháp này đem lại băng thông lớn nhất (có thể lên tới 13%)

<b>4. Ưu - Nhược điểm. Ứng dụng</b>

Bức xạ theo hình gần như bán cầu, hệ số định hướng vừa phải từ 5-7dB.

Hình đồ thị bức xạ sau, màu đỏ ứng với đồ thị bức xạ tại mặt phằng ground và tấm subtrate rộng vô hạn, màu xanh ứng với mặt ground 1m.

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

4.2. Nhược điểm

Anten mạch in có một vài điểm hạn chế:

Băng thơng hẹp (cần cải thiện bằng các phương pháp kĩ thuật)

Hiệu suất thấp hơn một vài anten khác (tổn thất do đường dẫn, chất nền, sóng bề mặt)4.3. Ứng dụng

Anten mạch in là loại anten phổ biến nhất với nhiều ứng dụng do lợi thế rõ ràng như trọng lượng nhẹ, cấu hình thấp, chi phí thấp, cấu hình phẳng, dễ tn thủ, tính di động vượt trội, phù hợp với mảng, dễ dàng chế tạo và tích hợp với mạch tích hợp vi sóng ngun khối (MMIC). Chính vì thế, chúng được sử dụng rộng rãi cho dân sự và quân sự các ứng dụng như nhận dạng tần số vô tuyến (RFID), đài phát thanh, hệ thống di động, hệ thống định vị tồn cầu(GPS), truyền hình, đa đầu vào hệ thống nhiều đầu ra (MIMO), hệ thống tránh va chạm phương tiện, liên lạc vệ tinh, hệ thống giám sát, thiết lập hướng, hệ thống radar, viễn thám, dẫn đường tên lửa, v.v.

Hình 11. Mảng anten cho một máy thu truyền hình vệ tinhHình 10. Đồ thị bức xạ mẫu

b) Mặt H

a)

Mặt E

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Hình 14. Minh họa chiều dài hiệu dụng

Tần số cộng hưởng được tính gần đúngf<small>r</small>

Chiều dài thực tế L của miếng patch được xác định qua công thức

Chiều rộng thực tế để đạt bức xạ tốt là

1.3. Trở kháng đầu vào cộng hưởng

Mỗi một khe bức xạ của anten được biểu diễn dưới một dẫn nạp Y tương đương (bao gồm điện dẫn G và điện nạp B). Y = G + jB.

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 15. Anten mạch in chữ nhật và mơ hình transmission-line tương đương

Qua mơ hình tương đương, người ta chứng minh được một biểu thức thay thế gần đúng cho trở kháng đầu vào, R , cho tấm patch cộng hưởng<small>in</small>

1.4. Kỹ thuật phối hợp trở kháng

Kỹ thuật đã chỉ ra rằng ta có thể thay đổi điện trở đầu vào cộng hưởng bằng cách cấp nguồn bên trong – inset feed, đặt sâu một khoảng y so với khe thứ nhất.<small>0</small>

Hình 16. Inset feed matching techniques

Kỹ thuật này có thể được sử dụng một cách hiệu quả để phù hợp với anten mạch in sử dụng phương pháp cấp nguồn bằng đường dẫn vi dải (microstrip line) có trở kháng đặc trưng được tính bởi

Trở kháng vào cộng hưởng tại vị trí sâu y là<small>0</small>

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Ngoài ra, người ta sử dụng kỹ thuật đường chuyển đổi trở kháng 1/4 bước sóng trong phối hợp trở kháng cho anten.

Hình 17. λ⁄4 impedance transformer matching techniques

Giá trị R trong hình là trở kháng tại đầu vào cạnh của miếng vi dải cộng hưởng, nó là <small>in</small>một số thực.

Mục tiêu là khớp trở kháng đầu vào (Z ) với đường truyền (Z ).<small>c1</small>

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hình 18. Mơ hình anten mạch in chữ nhật

Bằng mơ hình này, ta tính được tần số cộng hưởng

trong đó, m, n, p là số nửa bước sóng dọc theo các trục x, y, z nằm trên h, L, W của anten.

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>III. ĐẶC TÍNH</b>

<b>1. Tần số trung tâm</b>

Qua việc phân tích nguyên lí hoạt động, tần số trung tâm của anten phụ thuộc vào chiều dài của tấm patch và hằng số điện môi của đế subtrate.

Tần số trung tâm được tính gần đúng theo cơng thức:

Do đó, sử dụng chất nên cho đế subtrate có hằng số điện môi cao giúp thu nhỏ anten nhưng cũng làm giảm băng thông.

Chiều rộng của anten kiểm soát trở kháng đầu vào và ảnh hưởng tới băng thông.W

<b>2. Băng thông</b>

Băng thông tỉ lệ trực tiếp với độ dày h của chất nền. Tuy nhiên nếu h > 0.05 , điện cảmtìm được (cấp nguồn đồng trục) sẽ đủ lớn để việc tích hợp trở nên khó – băng thông sẽ giảm.

Băng thông tỉ lệ ngược với (một chất nền dạng bọt cho băng thông cao)._r

Băng thơng của một anten mạch in hình chữ nhật tỉ lệ với độ rộng W của anten (nhưng ta phải giữ cho W<2L).

Đối với độ dày chất nền điển hình (h / λ = 0,02) và hằng số điện mơi của chất nền điển <small>0</small>hình (ε = 2,2), băng thông là khoảng 3%.<small>r</small>

Bằng cách sử dụng chất nền xốp dày, có thể đạt được băng thơng khoảng 10%.Bằng cách sử dụng các kỹ thuật cấp nguồn đặc biệt (aperture coupling) và các tấm patchchồng lên nhau, băng thông đã đạt được trên 50%.

<b>3. Điện trở đầu vào cộng hưởng</b>

Điện trở đầu vào cộng hưởng thì khơng phụ thuộc vào độ dày h của chất nền trừ khi h nhỏ (khi đó độ biến thiên chủ yếu là do tổn thất chất điện môi và chất dẫn).

Điện trở đầu vào cộng hưởng tỉ lệ với ._r

Điện trở đầu vào cộng hưởng thì được điều chỉnh trực tiếp bởi vị trí của điểm cấp điện (lớn nhất ở các mặt cạnh x = 0 hoặc x = L, bằng 0 ở trung tâm của patch)

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Công thức tỏng quát của hiệu suất bức xạ:

Với anten mạch in:

Tổn thất chất dẫn và chất điện môi ảnh hướng mạnh tới đế subtrate mỏng

Tổn thất chất dẫn tăng lên theo tần số (tỉ lệ thuận với ) và thường ảnh hưởng mạnh hơn tổnt hất chất điện môi trong thực tế.

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Tổn thất sóng bề mặt ảnh hưởng mạnh với đế subtrate dày và làm bằng chất có hằng số điện mơi lớn.

Hệ số định hướng rất nhạy cảm với độ dày h của đế subtrate

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Hệ số định hướng của anten sẽ tăng lên với chất nền có hệ số điện mơi thấp hơn vì tấm patch lớn hơn

Hệ số định hướng của anten nằm trong khoảng 5-7 dB

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Hình 22. Cấp nguồn cho mảng anten

<b>2. Anten mạch in phân cực trịn</b>

Các phần tử patch cả hình chữ nhật và hình trịn, chủ yếu phát ra các sóng phân cực thẳng nếu nguồn cấp thông thường được sử dụng mà khơng có sửa đổi. Tuy nhiên, có thể thu được các phân cực tròn và elip bằng cách sử dụng các cách sắp xếp nguồn cấp dữ liệu khác nhau hoặc các sửa đổi nhỏ được thực hiện đối với các phần tử.

Có thể thu được phân cực trịn nếu hai chế độ trực giao được kích thích với độ lệch pha 90<small>o</small> giữa chúng. Điều này có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh kích thước vật lý của tấm patch và sử dụng một hoặc hai hoặc nhiều nguồn cấp dữ liệu.

Đối với tấm patch hình vng, cách dễ nhất để kích thích phân cực tròn lý tưởng là cung nguồn ở hai cạnh liền kề nhau. Độ lệch pha có được bằng cách cung cấp cho phần tử một bộ chia công suất 90 hoặc 90 hydrid.<small>oo</small>

Hình 23. Cấp nguồn anten phân cực tròn

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

</div>