Thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna VHF trên vệ tinh f0 = 150MHz

1



TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRUNG TÂM ĐÀO TẠO TÀI NĂNG VÀ CHẤT LƯỢNG CAO
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
*************



Bài tập lớn
Thông Tin Vệ Tinh


Đề tài
Thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna VHF
trên vệ tinh f
0
= 150MHz

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm

Thực hiện: Hà Trung Dũng SHSV : 20090509

Lớp: KSTN – Điện tử Viễn thông – K54



Hà Nội, tháng 12 năm 2013
2

Contents

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………………………………… 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU ………………………………………………………………….3

ĐẶT VẤN ĐỀ……………………………………………………………………………… 4

CHƯƠNG I : Lý thuyết Plannar Antenna ……………………………… …5

CHƯƠNG II : Antenna vòng SRR tiếp điện kiểu microstrip-fed……… 8

CHƯƠNG III : Mô tả antenna ………………………………………………….10

CHƯƠNG IV : Mô phỏng, chế tạo, tối ưu antenna ……………………… 12

CHƯƠNG V : Kết luận ……………………………………………………………….17

TÀI LIỆU THAM KHẢO………… 18

3



DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : A patch antenna ……………………………………………………….… 5
Hình 1.2 : A patch antenna and its coordinate system.……………………… …… 6
Hình 1.3 : Đồ thị phát xạ của 1 tấm patch antenna.…………………………….… 6
Hình 3.1 : Mô hình antenna và các thông số. (a) 3D và 2D print, (b) top layer, (c) bottom
layer. ……………………………………………………………………………………… 11
Hình 4.1 : Ảnh hưởng của thông số Rfi …………………………….……… 12
Hình 4.2 : Ảnh hưởng của thông số Rfo.…………………………….………………13
Hình 4.3 : Ảnh hưởng của thông số Wfs.…………………………………………….13

Hình 4.4 : Ảnh hưởng của thông số S.……………………………… …………… 13

Hình 4.5 : Ảnh hưởng của thông số Sr.………………………… ………………….14

Hình 4.6 : Ảnh hưởng của thông số t.……………………………………………… 14

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng hoàn thiện. ………………………………………… 14

Hình 4.8 : Đồ thị phát xạ 2D.…………………………………………………… 15

Hình 4.9 Đồ thị phát xạ 3D………………………………………………………… 15

Hình 4.10 : Surface Current.…………………………………………………… … 16


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 : Băng thông tại -10dB thay đổi theo hằng số điện môi ɛr……………… 19

4



ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với sự phát triển công nghệ vệ tinh, việc nghiên cứu phát triển chế tạo vệ
tinh có kích thước nhỏ bay tầm thấp trở nên phổ biến. Chẳng hạn, CubeSat là một loại
vệ tinh được thu nhỏ về kích thước, nó có thể tích khoảng 1 m
3
khối ượng không lớn
hơn 1 kg, thuộc loại Pico-Satellite. Vệ tinh được thu nhỏ, đồng nghĩa với việc các thiết
bị tích hợp trên vệ tinh cũng phải được thu nhỏ, antenna trên vệ tinh không phải ngoại
lệ. Báo cáo này trọng tâm hướng đến thiết kế, mô phỏng và chế tạo antenna thu nhỏ

được sử dụng trên vệ tinh. Cụ thể, antenna được thiết kế, mô phỏng chế tạo có tần số
trung tâm f
0
= 150MHz thuộc dải tần VHF, tiếp điện kiểu microstrip-fed, 1 loại planar
antenna. Đồng thời báo cáo cũng thông qua công cụ mô phỏng CST tối ưu kích thước
để đưa ra các kết quả tần số hoạt động khác nhau xung quanh tần số f
0
=150MHz.

Keyword : planar Antennas, small Antennas, VHF antennas, microstrip-
fed antenna, SRR

















5

Chương I – Lý thuyết Plannar Antenna
Một antenna vi dải là 1 antenna khắc trên 1 tấm patch , và tấm patch cơ bản
được phác trên hình 1.1a. Sự đa dạng về cấu trúc được sử dụng, cả cho hình dạng của
antenna và cách tiếp điện cho nó, tuy nhiên hoạt động cơ bản có thể được hiểu qua
tấm patch phát xạ cơ bản như trên hình 1.1b.

Hình 1.1 : A patch antenna
Trong hình 1.1a tiếp điện kiểu microstrip-fed, đường tiếp điện nối với tấm patch là
copper được in mặt trên tấm điện môi. Tấm điện môi được sử dụng là FR-4 có ɛ = 4.4
có độ dày 1.6mm. Trường dưới tấm patch được tập trung trong lớp điện môi. Bên
sườn tấm patch trường điện từ được kết hợp với sóng bề mặt và sóng phát xạ, sự phát
xạ được hình thành trong lớp điện môi chiếm 1 vùng giữa tấm patch và ground.
Trường phát xạ được minh họa trên hình 1.1b.
Hình 1.2 minh họa bề mặt tấm patch được đặt tại gốc tọa độ . Biểu thức mẫu
bức xạ xấp xỉ trên mặt phẳng chính tại ɸ = 0
0
và ɸ = 90
0
[1]

là :
g(θ, ɸ = 90
0
) = cos
2
(



sinθ) (1.1)
g(θ, ɸ = 0
0
) = cos
2
θ(


) (1.2)
6



trong đó X =




, o là bước sóng trong không gian tự do. Đồ thị của 2 phương
trình (1.1) và (1.2) được vẽ trên hình 1.3.

Hình 1.2 : A patch antenna and its coordinate system.

Hình 1.3 : Đồ thị phát xạ của 1 tấm patch antenna.


7

Trong thực tế kích trước của tấm patch nhỏ hơn ½ bước sóng trong không gian tự do
bởi vì vận tốc pha v
p
của sóng nhỏ hơn giá trị trong không gian tự do. Trong đó
v
p
= f, và t n môi 
r
là c/

 , tức là khoảng 0.5m
tại tần số 150MHz, với điện môi là FR-4. Kích thước khá lớn, so với một số vệ tinh
thu nhỏ. Do đó, thu nhỏ kích thước antenna bằng các cấu trúc tấm patch là điều cần
thiết, nếu muốn thu nhỏ kích thước vệ tinh. Sử dụng lý thuyết meta-material truyền
thống, cấu trúc vòng cung SRR được đưa ra để thu nhỏ kích thước antenna.

8



Chương II – Antenna vòng SRR tiếp điện kiểu microstrip-fed.
Một antenna thu nhỏ kích thước tiếp điện kiểu mirostrip-fed kết hợp của vòng
SRR nối với nhau bên ngoài và 1 vòng cung monopole được giới thiệu. Kích thước
của antenna được cấu hình 1/25 bước sóng, toàn bộ lớp substrate điện môi có kích
thước 80x60mm và hoạt động tạo tần số 150MHz.
Trong thông tin vô tuyến hiện đại, nhu cầu tăng tốc độ truyền và công suất lớn
hơn, đều đi liền với nhu cầu từ người sử dụng để đáp ứng các dịch vụ phức tạp, việc
này yêu cầu thiết kế một hệ thống hoạt động tốt hơn [2]. Vì các thiết bị thông tin trở
bên nhỏ hơn do việc tích hợp vào mạch điện tử, antenna trở thành thành phần lớn đáng
kể của 1 khối toàn bộ thiết bị. Kết quả này phụ thuộc vào nhu cầu thu nhỏ kích thước
antenna. Do đó, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phương pháp khác nhau để thu
nhỏ kích thước của antenna vi dải [3-21].
Một tấm điện môi có điện môi lớn được sử dụng để làm giảm bước sóng hiệu
dụng, và giảm kích thước antenna [3-6]. 1 tấm điện môi bằng gốm mới phát triển được
sử dụng ở [5] bởi vì giá trị điện môi của nó rất lớn. Shorted pin và walls được sử
dụng trong cấu trúc đối xứng để giảm đi ½ hay ¾ kích thước antenna [7-10]. Việc sử
dụng hình dạng đường meander, zigzag, hình xoắn ốc của antenna trong vùng nhỏ,
giản đến kích thước antenna
λ/
10
được thiết kế trong [11-14].

Sử dụng hình Hilbert có thế giảm kích thước toàn bộ lên đến 77% đưa kích

thươc antenna gần với giá trị ¼ bước sóng [15-17]. Vật liệu từ nhân tạo dựa vào đường
cong Hilbert tuần hoàn cũng được sử dụng để tăng điện môi hiệu dụng của lớp
substrate, dẫn đến có thể thu nhỏ kích thước antenna [16]. Công nghệ metamaterials
được sử dụng gần đây được sử dụng trong [18-21]. Và SRR, thành phần cơ bản trong
thiết kế metamaterial, thiết kê các antenna thu nhỏ với kích thước rất nhỏ [20-21].
Antenna được trình bày trong [21] chỉ có kích thước bằng
λ/23.4. Tuy nhiên, để
cho antenna này hoạt động, 1 vòng mặt phẳng đất có đường kính 400mm
được sử dụng tại tần số 305MHz. Báo cáo này là 1 bản đơn giản hóa của
antenna thu nhỏ được trinh bày trong [21] được thiết kế giảm kích thước
nhiều hơn. Antenna được tiếp điện theo đường vi dải, dễ dàng chế tạo. Hình
9



dạng và kết quả mô phỏng sẽ được trình bày trong 2 chương sau. Antenna
được mô

phỏng bằng công cụ phần mềm CST Microwave Suite. Do chưa
có điều kiện nên, sản phẩm và kết quả đo đạt sẽ được trình bày trong buổi
thuyết trình.

10



Chương III – Mô tả antenna.
SRR có thể thu nhỏ kích thước bán kính ngoài và khả năng sinh ra đáp ứng
điện từ mạnh; do đó chúng hình thành nền tảng rất thu hút cho việc thiết kế antenna
kích thước điện nhỏ. Cho mục tiêu này, 1 broadside-coupled SRR được sử dụng phụ
thuộc vào tỉ số bán kính và bước sóng mong muốn như so sánh trong các cấu trúc
SRR khác [22]. Trong báo cáo này, SRR antenna được trình bày. Antenna thiết kê
được minh họa ở hình 3.1. Antenna gồm có hình cung monopole tiếp điện 50ohm
dạng microstrip-fed và bên ngoài nó là coupled SRR. Monopole gồm có 2 nửa đường
tròn với bán kính là Rfi và Rfo, và 2 tâm của 2 đường tròn cách nhau 1 khoảng

“Offset”. Độ rộng bắt đầu từ Wfs và độ rộng kết thúc là 2Rfo-2Rfi-Wfs. SRR được in
trên mặt top và bottom của substrate tấm điện môi. Độ rộng vòng ring là t, khoảng
cách sường trong của ring và sườn ngoài của monopole là Sr. SRR trên lớp bottom
được nối với đất từ mặt phẳng bên phải và không nối từ mặt bên trái với khoảng cách
là S. Trên lớp top, được nối mặt phẳng đấy bên trái thông qua một lỗ via, và bên phải
được cách biệt với khoảng cách S. Toàn bộ kích thước phần đất có kích thước W
g
xL
g
.
Kích thước substrate có kích thước 80x60mm
2
bằng FR-4 có ɛ
r
= 4.4 có độ dày
1.6mm. Mô hình của SRR này có 1 cảm kháng lớn từ 2 nửa vòng ring và ground, điện
dung trên khe giữa 2 vòng ring và mặt phẳng ground, vùng giữa 2 nửa vòng ring và
slot giữa 2 nửa vòng ring và monopole. Dung kháng và cảm kháng trên gây ra cộng
hưởng ở tần số thấp.

11





(a)


Hình 3.1 : Mô hình antenna và các thông số. (a) 3D và 2D print, (b) top layer, (c) bottom
layer.







12



CHƯƠNG IV : Mô phỏng, chế tạo, tối ưu antenna.

Các thông số của antenna này được nghiên cứu để có thể hiểu được ảnh hưởng
của mỗi thông số, no được yêu cầu cho quá trình tối ưu hóa antenna. Hơn nữa, biết
ảnh hưởng của mỗi thông số, chúng ta có thể sử dụng 1 hoặc nhiều thông số để tái cấu

hình antenna việc sử dung MEMs để tăng bandwidth của antenna này. Kích thước đầu
tiên được đưa ra ở Table 1, với Offset = Rfo - (Rfi + Wfs) và Re = t/2.
Hình 4.1 đến 4.6 minh họa ảnh hưởng của các thống số, mỗi thông số được
thay đổi trong 1 thời gian, trong khi các thông số khác được giữ nguyên như trong
bảng 4.1.

Wg
Lg
S
w
Rfi
Rfo
13.3
80
0.8
3.05
19.4
29.2
Rv
Yv
Wfs
t
Sr

0.4
1.1
1.6
8.6
2.1

Bảng 4.1 : Các thông số.




Hình 4.1 : Ảnh hưởng của thông số Rfi.







13





Hình 4.2 : Ảnh hưởng của thông số Rfo.



Hình 4.3 : Ảnh hưởng của thông số Wfs.



Hình 4.4 : Ảnh hưởng của thông số S.

14





Hình 4.5 : Ảnh hưởng của thông số Sr.



Hình 4.6 : Ảnh hưởng của thông số t.



Hình 4.7 : Kết quả mô phỏng hoàn thiện.

Kết quả cuối cùng của S1,1 được cho như hình 4.7 tần số hoạt động tại f
0
=
150MHz, giá trị S1,1
min
= 27,4dB.
15



Đồ thị phát xạ 2D(3 mặt phẳng xy, yz, zx) và 3D, sau mô phỏng tối ưu, được
cho ở hình 4.8-4.9. Cùng vời đó là mật độ dòng bề mặt được minh họa bằng 3D được
cho ở hình 4.10.

Hình 4.8 : Đồ thị phát xạ 2D.



Hình 4.9 : Đồ thị phát xạ 3D.






16





Hình 4.10 : Surface Current.

17



Chương V – Kết luận.
Antenna có thiết kế đơn giản với kích thước nhỏ đã được trình bày trong báo
cáo. Mô hình antenna là monopole và cấu trúc SRR, đường tiếp điện microstrip-fed
line và phần đất được cắt, giúp cho việc giảm nhỏ kích thước antenna hoạt động ở tần
số thấp, cụ thể, tại f
0
= 150MHz thuộc dải tần VHF. Mô hình này có thể được phát
triển cho antenna tái cấu hình. Antenna đã giảm đến kich thước bằng 1/25 bước sóng.

18



Tài liệu tham khảo :

[1] James, J. R., P. S. Hall, and C. Wood. 1981. Microstrip Antenna Theory and
Design. Peter Peregrinus, UK.
[2] Eldek, A. A., “A compact
multi-band
meanderline
antenna for
wireless
communications applications,”
Microwave Opt.
T
e
ch.
Lett., Vol. 50, No. 4,
1117–1121, Apr. 2008.
[3] Lo, T. K., C O. Ho, Y. Hwang, E. K. W. Lam, and B. Lee,
“Miniature
aperture-coupled
microstrip
antenna
of very
high
permittivity,”
Electronics

Letters, Vol. 33, No. 1, 9–10, 1997.
[4] Lee, B. and F. J. Harackiewicz,
“Miniature
microstrip
an
tenna
with a
partially
filled
high-permittivity substrate,” IEEE
Transactions
on
Antennas
and Propagation, Vol. 50, No. 8, 1160–1162, 2002.
[5] Kula, J. S., D.
Psychoudakis,
W J. Liao, C C.
Chen,
J. L.
Volakis, and J. W. Halloran,
“Patch-antenna miniaturization
using recently
available ceramic
substrates,”
IEEE
Antennas and
Propagation Magazine, Vol.
48, No. 6, 13–20, 2006.
[6] Kim, J S., W K. Choi, and G Y. Choi, “Small proximity
coupled

ceramic
patch
antenna
for UHF RFID tag
mountable
on
metallic
objects,” Progress In
Electromagnetics
Research C, Vol. 4, 129–138, 2008.
[7] Ruvio, G. and M. J. Ammann, “A novel wideband
semi-planar
miniaturized antenna,”
IEEE
Transactions
on
Antennas and
Propagation, Vol.
55, No. 10, 2679–2685, 2007.
[8] Ko, C H., M J. Chiang, and J Y. Sze,
“Miniaturized planar
annular
slot
antenna
design utilizing shorting conducting
strip,”
IEEE
Antennas
and
Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 1360–1363, 2009.

[9] Mak, C. L., R. Chair, K. F. Lee, K. M. Luk, and A. A. Kishk,
“Half
U-slot
patch
antenna
with shorting wall,” Electronics
L
etters
,
Vol. 39, No. 25, 1779–
1780, 2003.
[10] Chiu, C. Y., C. H. Chan, and K. M. Luk, “Small wideband
patc
h antenna
with double shorting walls,” 2004 IEEE
Antennas and
Propagation Society
International Symposium,
Vol. 4, 3844–3847, 2004.
[11] Sharma, S. K. and L. Shafai,
“Investigations
on
miniaturized
endfire
vertically polarized
quasi-fractal
log-periodic zigzag
antenna,”
IEEE
Transactions

on
Antennas
and
Pr
op
agation
,
Vol. 52, No. 8, 1957–1962, 2004.
[12]
Sarabandi,
K. and R. Azadegan, “Design of an
efficien
t
miniaturized
UHF planar
antenna,”
IEEE
Transactions on
Antennas
and
Propagation, Vol. 51, No. 6, 1270–1276, 2003.
[13] Abbosh, A. M.,
“Miniaturized
microstrip-fed
tapered-slot
an
tenna
with
ultrawideband performance,”
IEEE

Antennas
and
Wir
eless Propagation Letters,
Vol. 8, 690–692, 2009.
[14] Hong, W. and K.
Sarabandi,
“Low profile
miniaturized planar antenna
with
omnidirectional
vertically polarized
radiation,”
IEEE
Transactions
on
Antennas
and Propagation, Vol. 56, No. 6,1533–1540, 2008.



19



[15] Huang, J T., J H. Shiao, and J M. Wu, “A
miniaturized
hilb
ert
inverted-

F antenna
for wireless sensor network
applications,”
IEEE
Transactions
on
Antennas
and Propagation, Vol. 58, No. 9,
3100–3103, 2010.
[16] Yousefi, L. and O. M. Ramahi,
“Miniaturised antennas using
artificial
magnetic materials with fractal hilbert
inclusions,”
Electronics Letters, Vol. 46,
No. 12, 816–817, 2010.
[17] Azaro, R., F. Viani, L. Lizzi, E. Zeni, and A. Massa,
“A
monopolar
quad-band antenna
based on a hilbert self-affine
prefractal
geometry,” IEEE
Antennas
and Wireless
Pr
op
agation
Letters, Vol. 8, 177–180,
2009.

[18] Volakis, J., C. C. Chen, and K.
Fujimoto,
Small
Antennas —
Miniaturization Techniques
and
Applications,
McGraw Hill, 2010.
[19] Chen, P. Y. and A. Alu, “Dual-mode
miniaturized
elliptical
patc
h antenna
with
mu-negative metamaterials,”
IEEE
Antennas and
Wireless Propagation
Letters, Vol. 9, 351–354, 2010.
[20] Li, M., X. Q. Lin, J. Y. Chin, R. Liu, and T. J. Cui, “A
nov
el
miniaturized
printed planar
antenna
using split-ring
resonator,”
IEEE
Antennas
and Wireless Propagation Letters, Vol. 7, 629–631, 2008.

[21] Kim, O. S. and O. Breinbjerg,
“Miniaturized
self-resonan
t
split-
ring
resonator
antenna,”
Electronics Letters, Vol. 45, No. 4, 196–197, 2009.
[22] Marques, R., F. Mesa, J. Martel, and F. Medina,
“Comparitiv
e
analysis
of edge and
broadside-coupled
split ring
resonators
for
metamaterial
design — Theory and
experiments,” IEEE
Transactions
on
Antennas
and
Propagation, Vol. 51, No. 10, 2572–2581, 2010.

20