bài tập lớn của sinh viên chuyên đề quản l anten vi dải chữ nhật

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

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢIKHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ</b>

<b>BÁO CÁO TỔNG KẾT</b>

<b>BÀI TẬP LỚN CỦA SINH VIÊN</b>

<b>NĂM HỌC 2022-2023</b>

<b>CHUYÊN ĐỀ: QUẢN L- ANTEN VI DẢI CHỮ NHẬT </b>

NGUYỄN NGỌC HƯNGNGUYỄN BÁ CHIẾNNGUYỄN LÊ HUYTRẦN TRỌNG HIẾU

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

Hà Nội,11/2022

<b>M c l cụụPHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI</b>

1. Giới thiệu về vi dải( Microstrip Antenna)2. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải3. Một số loại anten vi dải thông dụng

<i>1. Anten patch vi dải2. Anten khe mạch in3. Anten vi dải lưỡng cực</i>

4. Anten patch hình chữ nhật5. Nguyên lý bức xạ anten vi dải

<b>PHẦN 2: PHÂN T-CH PHƯƠNG PHÁP T-NH TỐN VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RƠNG</b>

1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế anten

<i>1. Ảnh hưởng của các thơng số chất nền2. Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp3. Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hơp</i>

2. Phương pháp thiết kế anten cơ bản

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

<b>PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI</b>

<b>1.Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna)</b>

Các khái niệm đầu tiên về anten vi dải được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955. Nhưng phải20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo.

Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch (mặt bức xạ) rất mỏng với bề dày t<< : bước sóng không gian tự do nằm trên Dielectirc Substrate (lớp chất nền điện mơi) có <=10 , phía đối diện với patch là Ground Plane (mặt phẳng đất). Patch là vật dẫn điện, thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ.

<i><small>Anten vi dải và hệ trục tọa độ</small></i>

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

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác. Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vng, hình chữ nhật, hình trịn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vànhkhuyên.

<i><small>Các dạng anten vi dải thông dụng</small></i>

Một số ứng dụng của anten vi dải:

Các anten dùng trong thông tin vô tuyến.

Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ.Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị.Vũ khí thơng minh .

Sử dụng cho GSM hay GPS.

<b>2.Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải</b>

Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten vi sóng thơng thường và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số 100MHz-100GHz.

<i>- Anten vi dải có các ưu điểm:</i>

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

Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng.Chí phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt.

Phân cực tuyến tính và phân cực trịn với phương pháp tiếp điện đơngiản.

Anten hoạt động ở nhiều tần số kép và anten phân cực kép có thể thựchiện dễ dàng.

<small>Độ lợi thấp (thường nhỏ hơn 10 dB).</small>

<small>Suy hao lớn trong cấu trúc tiếp điện của các anten mảng.</small>

<small>Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong nửa khơng gian phía trên mặt phẳng đất.Khả năng tản nhiệt của anten vi dải kém.</small>

<small>Các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các mối nối còn khá nhiều.Khả năng điều khiển điện áp thấp.</small>

<small>Độ lợi và hiệu suất giảm, mức độ phân cực chéo cao với anten mảng ở tần số cao.Xuất hiện sóng bề mặt.</small>

<b>3. Một số loại anten vi dải thông dụng</b>

1. Anten patch vi dải

<i><small>Anten patch vi dải</small></i>

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

Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó,anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vng, chữ nhật, trịn,...)nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau. Trong số các loạianten patch vi dải, anten có dạng hình chữ nhật và hình trịn là hai dạngthông dụng và được sử dụng rộng rãi

<i>Một số hình dạng thơng dụng của anten patch vi dải</i>

2. Anten khe mạch in

<i>Các hình dạng anten khe mạch in</i>

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

3. Anten vi dải lưỡng cực

<i>Anten vi dải lưỡng cực</i>

<b>4. Anten patch hình chữ nhật</b>

Anten patch hình chữ nhật là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất. Có nhiều phương pháp tiếpđiện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải. Phần tiếp điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra khỏi patch.

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

Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn. TM tượng trung cho phân bố từtrường ngang, có 3 thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trườngtheo hướng x và y trong hệ tọa độ Đề các, trục x và y song song với mặtphẳng đất, trục z vng góc với mặt phẳng đất. Giá trị z hầu như bị bỏ quado sự biến đổi của điện trường theo trục z coi như khơng đáng kể. Do đó, kíhiệu TM chỉ sự biến đổi của trường theo hướng x và y, sự biến đổi của<small>nm</small>

trường theo hướng y không đáng kể nên m=0, trường biến đổi chủ yếu theohướng x nên ở mode cơ bản n=1.

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

Hình b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điệntrường) trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnhtrái và phải, trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gầncạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải. Từ biên độ của dịng áp ta có thể tìm đượctrở kháng. Trở kháng đạt cực tieru ở giữa patch và cực đại ở gần hai cạnh.Có một điểm nằm ở vị trí dọc theo trục x tại đó trở kháng là 50 Ohm ta cóthể đặt tiếp điện tại đó.

<b>5. Nguyên lý bức xạ anten vi dải</b>

E - plane (θ=90°, 0°≤ϕ≤90°, 270≤ϕ≤360°)

Đối với anten vi dải, mặt phẳng <i>x-y θ=90°, 0°≤ϕ≤90°, </i> (

270≤ϕ≤360°) là mặt phẳng I chính và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở công thức trên trở thành:

<b>6. Nguyên lý bức xạ anten vi dải</b>

Băng thông của anten vi dải

Độ rộng băng thông của anten mạch dải là khoảng tần số mà ở đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Độ rộng băng thông (BW) thường được xác định thơng qua hệ số sóng đứng cho phép trên khoảng tần số nào đó. Thường các anten vi dải dùng trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1.

BW=

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

Trong đó: VSWR là tỉ số sóng đứng.Q<small>T </small>là hệ số phẩm chất của anten vi dải.

Q<small>T </small>= Năng lượng được tích trữ Năng lượng

Theo cơng thức, BW tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q của anten. Vì <small>T</small>

vậy, để tăng băng thơng ta có thể làm giảm hệ số phẩm chất Q . Ta có thể thay <small>T</small>

đổi chiều dày lớp điện mơi cũng như hằng số điện mơi để có thể đạt được hệ sốphẩm chất mong muốn.

Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện mơi là có giới hạn vì khi t ≥ 0,1�<small>0</small> thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten.

<i>Phân cực của anten vi dải</i>

Anten vi dải có thể được chế tạo để nhận được trường bức xạ phân cực thẳng và phân cực quay. Phân cực thẳng sẽ nhận được khi điểm tiếp điện được đặt vào giữa một cạnh của tấm patch

<i>Độ định hướng của anten vi dải</i>

Độ định hướng của anten vi dải là một trong những hệ số chất lượng quan trọng đối với mỗi loại anten:

Trong đó: P là công suất bức xạ.<small>rad</small>

U<small>max là </small>mật độ bức xạ lớn nhất.

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

<b>Phần 2: PHÂN T-CH PHƯƠNG PHÁP T-NH TOÁN VÀ THIẾTKẾ ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG</b>

1. Ảnh hưởng của các thông số chất nền

Hệ số phẩm chất Q tỉ lệ nghịch với băng thơng trở kháng, vì vậy có thể thay<small>T</small>

đổi các tham số của chất nền để đạt được hệ số Q mong muốn như thay đổi hằng <small>T</small>

số điện môi và độ dày của chất nền h. Theo cơng thức 1-38 thì:r Q<small>T </small>= Năng lượng được tích trữ Năng lượng mất mát

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

<i>Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thơng trở kháng</i>

2. Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp

Có một số hình dạng patch có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng khác, tương ứng băng thơng của anten có hình dạng đó sẽ cao hơn. Các hình dạng patch này gồm có: hình vành khun, hình trịn, hình chữ nhật/ hình vng, patch sóng ngắn và các hình dạng cầu khác. Từ bảng ta thấy được băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng lên với sự gia tăng chiều rộng của patch.

<i>Bảng 1 Bảng so sánh băng thơng của các hình dạng patch tại VSWR=2</i>

Hình dạng patch Kích thước patch (cm) Băng thơng (%)Hình chữ nhật hẹp L=4.924, W=2.0 0.7

L=2.462, W=2.0 1.05

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

3. Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp

Lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng trong qtrình thiết kế anten. Có nhiều kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải như: tiếp điện bằng đường truyền vi dải, bằng đầu dò, ghép khe patch với một đường vi dải đã được nghiên cứu ở chương trước.Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải có ưu điểm và hạn chế.

Ưu điểm : dễ thực hiện vì patch có thể được xem là một đường truyền vi dảihở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch.

Nhược điểm: sẽ xuất hiện sự phát xạ khơng mong muốn nếu kích thước đoạnfeed line là đáng kể so với patch. Để giảm bớt hạn chế trên và để có phối hợptrở kháng giữa feed line và patch ta sử dụng hai cách:

- Chọn điểm có trở kháng bằng với trở kháng của đường vi dải bằng cách cắtvào tấm patch một khoảng y<small>0.</small>

- Dùng bộ chuyển đổi trở kháng dùng các đoạn đường vi dải có chiều dài /4 để�có thẻ điều chỉnh trở kháng vào thích hợp

<b>II. Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản</b>

Thiết kế thành phần bức xạ

<i>Tính tốn kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo công thức sau:</i>

Chiều dài của miếng patch

Hằng số điện mơi hiệu dụng của patch tính bởi:

Chiều dài mở rộng của miếng patch :

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

Chiều dài thật của miếng patch:

S d ng Txline đ tnh toán, thiếết kếế dây vi d i:ử ụ ể ả

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

Xin chân thành cảm ơn!

Nhi m v và tên t ng thành viênệụừ

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

<b>Nguyễn Văn An</b> 201403864 Thiết kế Anten

Nguyễn Ngọc Hưng 201405379 Viết báo cáo

Nguyễn Lê Huy 201403972 Làm Powerpoint

Nguyễn Bá Chiến 201413878 Thiết kế mạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢINHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

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

<small> H và tếnọ</small>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢINHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN DUYỆT

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

<small> H và tếnọ</small>

</div>