báo cáo btl anten và truyền sóng đề tài thiết kế anten mạch in bức xạ phân cực tròn

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

<b>Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N IẠỌỘVI N ĐI N T - VIỄỄN THƠNGỆỆỬ</b>

<b>---Báo cáo BTL: Anten và truyền sóng</b>

<b>Đề tài: Thiết kế anten mạch in bức xạ phân cực trònGiảng viên hướng dẫn: Đoàn Thị Ngọc Hiền - Tạ Sơn Xuất</b>

<b>Mục lục</b>

<b><small>Chương 1: Giới thiệu chung về Anten...21.1Khái niệm...2</small></b>

Hà N i 2/2023ộ

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

<b><small>1.2Lịch sử hình thành...5</small></b>

<b><small>1.3 Đặc tính...6</small></b>

<b><small>1.4 Ngun lý bức xạ...7</small></b>

<b><small>1.5 Phương pháp tiếp điện...8</small></b>

<b><small>1.6 Phân cực tròn cho anten Microstrip...12</small></b>

<b><small>1.7 Một số ứng dụng của anten vi dải...16</small></b>

<b><small>Chương 2. Tính tốn và thiết kế...17</small></b>

<b><small>2.1 Xác định bài tốn...17</small></b>

<b><small>Chương 3: Mơ phỏng anten bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop...20</small></b>

<b><small>3.1 Mô phỏng tấm điện môi...20</small></b>

<b><small>3.2 Mô phỏng GND...22</small></b>

<b><small>3.3 Mô phỏng Patch...23</small></b>

<b><small>3.4 Mô phỏng đoạn dây chêm và đường truyền vi dải...26</small></b>

<b><small>3.5 Mô phỏng phần tiếp điện...27</small></b>

<b><small>3.6 Tiến hành mô phỏng...28</small></b>

<b><small>Chương 4: Kết quả và đánh giá...39</small></b>

<b><small>Tài liệu tham khảo...40</small></b>

<b>Chương 1: Giới thiệu chung về Anten</b>

<b>1.1 Khái niệm</b>

<b>a, Anten</b>

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

Hình 1.1.1 Anten trong thực tê

Việc truyền năng lượng điện từ trong khơng gian có thể thực hiệnbằng hai con đường. Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyềndẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng,… “chuyên chở” sóngđiện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dịng điện. Sóng điện từ lantruyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến).Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việcxâydựng hệ thống đường truyền.

Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp khơng thể xâydựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằngcách cho sóng điện từ bức xạ ra mơi trường tự do. Sóng sẽ được truyền đidưới dạng sóng điện từ tự do (vơ tuyến) từ nơi phát đến nơi thu. Vậy cầnphải có một thiết bị phát sóng điện từ ra khơng gian cũng như thu nhận sóng

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

điện từ từ khơng gian, để đưa vào máy thu. Chính loại thiết bị này được gọilà anten.

Anten là thiết bị quan trọng thiết yếu của hệ thống truyền thông, đượcthiết kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ. Anten có thể xem như là các thiếtbị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu màkhông cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào (cáp đồng, ống dẫnsóng hay sợi quang)

<b>b, Anten vi dải</b>

Anten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu tiên đượcđề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20 nămsau người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế. Ngày nay, anten vi dảixuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng khôngvũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thơng.

Có kích thước rất nhỏ, 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 môigiữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp điện (kim loại). Anten vi dải cónhiều 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 lợicao đồng thời dễ kết hợp với các mạch điện tử trên cùng một mạch in.

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

Hình 1.1.2 Cấu tạo anten vi dải

<b>1.2 Lịch sử hình thành</b>

Người đầu tiên đã phát minh ra anten là một nhà vật lý người Đức có tên làHeinrich Rudolf Hertz(1857–1894). Sau này tên ông được đặt cho tên của mộtđơn vị đo lường trong hệ SI để đo tần số (Hz = ). Phần tử thu phát trong phịngthí nghiệm của ơng là một đoạn dây hoặc một vòng dây được cấp nguồn điệncao tần, được gọi tên là Dipole Hetz.

Hình 1.2.1 Heinrich Rudolf Hertz

Người đã đưa ứng dụng thu phát không dây ra thực tiễn là nhà phátminh người Ý, Guglielmo Marconi(1874–1937). Một phát minh nổi tiếngcủa ông là hệ thống thu phát radio từ thành phố Poldhu, UK đến StJohns,

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

Newfoundlandin Canadain vào năm 1901. Anten được ơng sử dụng là loạiMono-pole ¼ bước sóng, sau này cũng lấy theo tên ơng là Marconi Antenna.

<small>Hình 1.2.2 Guglielmo Marconi</small>

Trong chiến tranh thế giới thứ 2, anten được áp dụng nhiều trên tầuthủy, máy bay và xe quân sự. Các nước Anh và Mỹ đã phát triển các Radaquân sự có thể “quan sát” các mục tiêu cách hàng trăm dặm ngay cả trongbóng tối. Các radar là các anten sử dụng tần số rất cao và có đặc tính phươnghướng tốt, sử dụng ngun tắc phản xạ sóng và tập trung năng lượng sóng.

Những năm tiếp theo, anten băng rộng, anten phân cực, antenmảng, ... được nghiên cứu và phát triển. Anten trở thành thiết bị được ứngdụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin truyền thông, truyền hình, vệ tinhvà nhiều các hệ thống khơng dây khác.

Hiện nay, anten vẫn tiếp tục được nghiên cứu theo các hướng antenthơng minh, anten thích nghi, anten MIMO, trong đó có sự kết hợp của cơngnghệ xử lý tín hiệu số và máy tính số.

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

 Hướng bức xạ vng góc với đế điện mơi.

 Đồ thị bức xạ xạ xấp xỉ 1 khi Z > 0 và bằng 0 khi Z ≤ 0 Đây là cấu trúc lí tưởng.

<b>1.4 Nguyên lý bức xạ</b>

<b>❖ Nguyên lý bức xạ:</b>

Nguyên lý bức xạ của anten phân cực trịn dựa trên sự kết hợp của haisóng phân cực tuyến tính trực giao, thường được gọi là phân cực ngang vàdọc. Hai sóng này vng pha nhau và có biên độ và pha bằng nhau.

Anten được thiết kế sao cho nó phát ra đồng thời hai phân cực tuyếntính trực giao này. Miếng patch thường được thiết kế có hình chữ nhật hoặchình trịn được kích thích bằng nguồn tín hiệu, chẳng hạn như đường cấp vidải, tại một vị trí cụ thể trên miếng patch, thường là gần trung tâm của miếngpatch.Nguồn tín hiệu tạo ra một trường điện từ kích thích miếng patch, từ đóphát ra hai phân cực tuyến tính trực giao. Vì hai phân cực ở dạng cầuphương pha nên dạng trường thu được là phân cực trịn.

Mơ hình bức xạ của anten phân cực trịn thường tương tự như mơ hìnhcủa anten phân cực tuyến tính, với thùy chính chỉ theo hướng của nguồn cấpdữ liệu. Tuy nhiên, phân cực tròn cho phép tín hiệu ổn định hơn và khả năngmiễn dịch tốt hơn đối với hiện tượng pha đinh đa đường, có thể xảy ra khitín hiệu phân cực tuyến tính phản xạ khỏi một vật thể trước khi đến máy thu.Tỷ lệ trục axial ratio ( AR ) của anten được định nghĩa là tỷ số giữatrục chính và trục phụ của mẫu anten phân cực tròn. Tỷ lệ này cho ta biết độlệch của một anten so với trường hợp lý tưởng là phân cực tròn trên mộtphạm vi xác định.

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

Thông thường, tỷ lệ trục AR được trích dẫn cho các anten phân cựctrịn. Vì trường phân cực tròn được tạo thành từ hai thành phân điện trườngtrục giao có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau 90 độ, nên tỷ số trục cànggần 0dB càng tốt. Trong trường hợp một anten có phân cực trịn hồn hoảnthì tỷ lệ này sẽ là 1( 0dB).

Anten được coi là có phân cực trịn khi tỷ lệ trục AR sẽ nhỏ hơn 3dB.

<b>1.5 Phương pháp tiếp điện</b>

<b>❖ Các phương pháp tiếp điện</b>

Phương pháp tiếp điện cho anten vi dải rất đa dạng. Anten vi dải có thể đượctiếp điện trực tiếp bằng cáp đồng trục hoặc bằng đường vi dải. Nó cũng cóthể được tiếp điện gián tiếp bằng việc sử dụng ghép nối điện từ trường, hoặcghép nối qua khe, hoặc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng, theocách tiếp điện này khơng có sự tiếp xúc kim loại trực tiếp giữa đường tiếpđiện và tấm bức xạ. Kĩ thuật tiếp điện ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào vàđặc tính của anten, và nó cũng là một thông số thiết kế quan trọng.

 Tiếp điện bằng cáp đồng trục: Đầu nối đồng trục được hàn vào phiến kimloại và đục xuyên qua lớp điện môi, đầu ra ở mặt kia của lớp điện môi, tứctấm bức xạ và được cắm vào một đầu nối thường có trở kháng 50 (Ω).- Ưu điểm của phương pháp này là đầu dị có thể đặt ở bất kì vị trí nào trong

vùng diện tích của phiến kim loại bức xạ và do đó dễ dàng điều chỉnh trởkháng vào của anten.

- Nhược điểm là cần phải đục lỗ qua đế điện môi, mặt khác phần mối nối sẽtrồi lên tấm bức xạ và làm mất tính phẳng của tấm bức xạ (ảnh hướng nhiềutới sự bức xạ, khó phân tích và đưa ra lời giải cho mơ hình bức xạ chính xácvì nó làm điều kiện biên trở nên rất phức tạp). Đồng thời, vị trí bất kì củađầu nối đồng trục (để đạt được trở kháng vào mong muốn) cũng làm mất

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

tính đối xứng của antenna và do đó làm mất đi tính đối xứng của đồ thịphương hướng.

Hình 1.5.1 Tiếp điện bằng cáp đồng trục

 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải: Phương pháp tiếp điện bằng đườngtruyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là cácmạch tích hợp siêu cao tần. Đường truyền vi dài là cấu trúc mạch in cấp cao,bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nềncách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳngđất. Mặt phẳng đất là mặt phản xạ do đó đường truyền vi dài có thể đượcxem là đường truyền gồm hai dây dẫn. Có hai tham số chính là độ rộng dảidẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h. Một tham số quan trọng khác làhằng số điện môi tương đối của chất nền. Hai tham số đơi khi có thể được bỏqua là độ dày dài dẫn điện t và điện dẫn suất sigma.

- Ưu điểm: Đường vi dải có thể được khắc lên cùng một tấm điện môi với tấmbức xạ do đó vẫn giữ được cấu trúc phẳng của anten.

- Nhược điểm: Bức xạ từ đường tiếp điện làm ảnh hưởng tới trường bức xạcủa anten, đặc biệt là khi kích thước của đường tiếp điện là lớn so với kíchthước của tấm bức xạ.Từ bề dày và hằng số điện môi của tấm nền và độ rộngcủa đường vi dải ta có thể xác định được trở kháng đặc trưng của đường vidải.

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

Hình 1.5.2 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

 Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe: Phương pháp này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ bức xạ không cần thiết của đường vì dài. Cấu trúc gồm hai lớp điện môi, patch được đặt trên cùng, mặt phẳng đất ở giữa có một khe hở nhỏ, khe ghép ln đặt dưới và chính giữa bản kim loại nhằm giảm phân cực chéo do tính đối xứng, đường tiếp điện ở lớp điện môi dưới.- Ưu điểm: Thông thường lớp điện mơi trên có hằng số điện mơi thấp hơn lớp

điện môi dưới nên hạn chế bức xạ khơng mong muốn.

- Nhược điểm: Phương pháp khó thực hiện do phải làm nhiều lớp, làm tăng độdày của anten. Phương pháp sử dụng cho băng hẹp.

Hình 1.5.3 Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe

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

 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần: Bản chất của phương pháp là ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và patch. Cấu trúc này gồm hai lớp điện môi, đường patch nằm ở miếng điện môi trên đường tiếp điện ở giữa hai lớp điện môi.

- Ưu điểm: Loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện. Cho băng thơng rộng (khoảng 13%).

- Nhược điểm: Khó khăn trong việc thiết kế và thi cơng vì đường tiếp điện nằm trong hai lớp điện môi và làm anten có chiều dày hơn.

Hình 1.5.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần

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

<b>1.6 Phân cực tròn cho anten Microstrip</b>

<b>a.Phương pháp nạp đơn</b>

Hình 1.6.1 Phương pháp nạp đơn

Phương pháp nạp đơn: đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp và cấu trúcnhỏ gọn. Nó loại bỏ việc sử dụng bộ phân cực lai phức tạp, rất phức tạp đểsử dụng trong mảng anten. Anten vi dải phân cực tròn được cấp nguồn đơnđược coi là một trong những anten đơn giản nhất có thể tạo ra phân cựctròn . Để đạt được phân cực tròn chỉ sử dụng nguồn cấp dữ liệu duy nhất, haichế độ suy biến phải được thoát ra với biên độ bằng nhau và chênh lệch 90°.Vì các hình dạng cơ bản của anten vi dải tạo ra sự phân cực tuyến tính nênphải là một số thay đổi trong thiết kế patch để tạo ra phân cực tròn. Các phânđoạn nhiễu loạn được sử dụng để chia trường thành hai chế độ trực giao vớicường độ bằng nhau và dịch pha 90°. Do đó các u cầu phân cực trịn đượcđáp ứng.

Tạo phân cực trịn cho anten vi dải bằng cách kích thích 2 mode cóbiên độ bằng nhau và pha lệch nhau 90: đơn giản nhất là di chuyển vị trí tiếp

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

điện, bình thường là ở chính giữa nhưng ta sẽ chuyển xuống vị trí đườngchéo.

<b>b. Phương pháp cát vát những miếng patch để tạo phân cực trịn</b>

Hình 1.6.2 Phương pháp cát vát tấm patch

Ta cắt vát những góc của miếng patch và dịch chuyển vị trí tiếp điệnđể tạo phân cực trịn. Đây chính là phương pháp mà nhóm sử dụng trong bàimơ phỏng. Cắt các góc đối diện của một miếng vá hình vuông là một<small> </small>phương pháp đơn giản và hiệu quả để đạt được sự phân cực tròn. Bằng cáchcắt các góc đối diện ở các độ dài khác nhau, mơ hình bức xạ của ăng-ten bịthay đổi, dẫn đến sóng phân cực trịn.

<b>c.Phương pháp nguồn cấp dữ liệu kép</b>

Vì sự dịch pha 90° giữa các trường trong anten vi dải là điều kiện tiênquyết để có phân cực tròn, nguồn cấp dữ liệu kép là một cách dễ dàng để tạora phân cực tròn trong anten vi dải. Hai điểm nạp được chọn vng góc vớinhau. Với sự trợ giúp của bộ phân cực bên ngoài, anten vi dải được cungcấp bởi nguồn cấp dữ liệu trực giao và có cường độ bằng nhau. Nguồn cấp

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

kép có thể được thực hiện bằng cách sử dụng lai cầu phương, lai vịng, bộchia cơng suất Wilkinson, bộ chia công suất ngã ba T hoặc hai nguồn cấpđồng trục với dịch pha vật lý 90°

Hình 1.6.3

Hình 1.6.4 Phương pháp nguồn cấp dữ liệu kép

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

Dùng delay line ( đường trễ pha ): khi song đi 1 vịng lamda thì sẽ là ,2 cổng và độ sẽ có 2 cổng tiếp điện với nhau, trễ pha nhau và sẽ tạo ra phâncực trịn

Hình 1.6.5 Phương pháp nguồn cấp dữ liệu kép

Bộ ghép nối đường dây nhánh(branchline coupler) là thiết bị mạngbốn cổng có độ lệch pha 90° giữa hai cổng được ghép nối. Thiết bị này cóthể được sử dụng cho một hệ thống Bộ phát/Bộ thu anten đơn hoặc bộtách/bộ kết hợp tín hiệu I/Q. Mục tiêu của mơ hình này là tính tốn các thamsố S và quan sát sự khớp, cách ly và khớp xung quanh tần số hoạt động.

<b>d.Sử dụng phần tử xoay được trong khơng gian</b>

Hình 1.6.6 Phương pháp xoay phần tử tuần tự

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

Tạo phân cực tròn bằng cách sắp xếp thành mảng với tiếp điện xoay pha tuần tự : thì chúng ta sẽ có cấu trúc anten bức xạ phân cực tròn.

<b>1.7 Một số ứng dụng của anten vi dải </b>

 Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên anten vi dải thường được dùng.

 Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ.  Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy anten vi dải để

định vị

 Vũ khí thơng minh dùng các anten vi dải nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.

 GSM hay GPS cũng có thể dùng anten vi dải.

 Anten mạch in phân cực trịn kép có thể tích hợp thuận tiện với các khối RF khác trong chuỗi truyền và nhận.

Đây là một vài ví dụ, cịn nhiều ứng dụng khác trong các lĩnh vực khác nhaunhư hàng không vũ trụ, quân sự, nghiên cứu khoa học, v.v.

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

<b>Chương 2. Tính tốn và thiết kế</b>

<b>2.1 </b>

<b>Xác định bài toán</b>

 Chúng ta cần thiết kế anten có kích thước nhỏ gọn, có cấu trúc phẳng để dễ dàng tích hợp vào thiết bị. Bức xạ đăng hướng để có thể thu thập tín hiệu từ mọi phía. Tiếp điện sử dụng phương pháp dùng đường truyền vi dải. Tấm điện mơi là vật liệu Rogers RT/duroid 5870(tm) có hằng số điện môi của lớp điện môi =2.33, độ dài t =1.6mm.<small>2</small>

Hình 2.1.1 Thơng số anten miếng patch

<b>Thiết kế anten vi dải phân cực trịn với các thơng số kỹ thuật:</b>

<b>Tần số trung tâm 2.45 GHzBăng thông > 2%</b>

<b>Phân cực tròn với tỷ số trục AR< 3 dB|S11| < -10 dB</b>

<b>Hệ số tăng ích > 4 dBi</b>

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

Hình 3.1.4 Thơng số tấm điện mơi

Hình 3.1.5 Tấm điện môi sau khi ta đã điền đầy đủ thông số.

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

<b>3.3 Mô phỏng Patch</b>

Ta chọn Draw trên thanh công cụ rồi chọn Rectangle hoặc Rectangle trên thanh công cụ rồi ngáy đúp vào CreateRectangle để điền thơng số.

Hình 3.3.1 Thơng số của Patch

Hình 3.3.2 Patch sau khi điền thông số.

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

Tiếp theo, chúng ta sẽ cát góc cho Patch.

Ta chọn Draw trên thanh công cụ, chọn Line và tạo 3 đường line, nhập thơng số cho từng đường để tạo thành hình tam giác khớp với góc của miếng Patch.

Hình 3.3.3 Thơng số của 3 đường line

Tạo miếng cắt góc thứ 2:

Hình 3.3.4 Thao tác tạo miếng cắt góc thứ 2

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

Hình 3.3.5 Thao tác tạo miếng cắt góc thứ 2Điền 180 để góc cắt thứ 2 đối xứng góc cắt đầu tiên.

Để cắt góc miếng patch, ta chọn miếng patch và 2 góc vừa cắt và chọn Subtract.

Hình 3.3.6 Thao tác mô phỏng

</div>