anten vi dải tần số 3Ghz

BÁO CÁO THỰC HÀNH
Bài thực hành: Tính toán thiết kế và mô phỏng anten vi
dải với tần số 3GHz
PHẦN 1: LÝ THUYẾT
1. Cấu trúc anten vi dải
Ăng ten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một
miếng bức xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt
phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp
đế điện môi. Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L.
Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng

Hình 1.1: Anten vi dải hình chữ nhật
1.2. Phân loại và đặc tính của anten vi dải
Các ăng ten vi dải được phân loại theo hình dạng và vị trí đặt
các tấm bức xạ vi dải, có thể được quy về 4 dạng chính:
+ Ăng ten vi dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna): tấm bức
xạ của ăng ten có thể có nhiều hình dạng khác nhau.

1


+ Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), các tấm
bức xạ được đặt đối xứng ở cả 2 phía (mặt) của tấm điện môi.
+ Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): các khe hẹp được tích
hợp trên bề mặt tấm bức xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân
bố dòng điện.
+ Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna)
tấm bức xạ là các dải có dạng sóng, xoáy trôn ốc…
Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với các ăng ten vi sóng
truyền thống như: kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu
cuối cầm tay; giá thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng

công nghệ mạch in; dễ dàng tích hợp với những mạch tích hợp vi dải
khác trên cùng một tấm điện môi; tính linh động cao: sự thay đổi về
hình dạng của tấm bức xạ, kích thước, chất liệu điện môi…cho phép
thay đổi các đặc tính đặc trưng của ăng ten như tần số cộng hưởng,
sự phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông…; khả năng tạo ra
phân cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi
cách tiếp điện, hình dạng của ăng ten và các đường tiếp điện và
mạng phối hơp trở kháng có thể chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng
ten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế: băng hẹp;
hiệu suất bức xạ thấp; công suất nhỏ; chỉ bức xạ trong một nửa
không gian trên mặt phẳng đất; khó có thể đạt được sự phân cực
thuần và sự bức xạ do các mối nối và tiếp điện.
- Thường được ứng dụng cho dải tần 1-20 GHz
1.3. Các thông số và các bước tính toán thiết kế anten vi
dải
a) Các thông số của anten
- Độ lợi của anten vi dải:

- Trở kháng trong được tính theo công thức:
2


- Chiều rộng của tấm patch anten:

- Tần số hiệu dụng:

- Hằng số điện môi hiệu dụng:

- Chiều dài của tấm patch anten:

Với:

b) Các bước tính toán thiết kế anten vi dải
b.1) Với phương pháp cơ bản
- B1. Tính toán kích thước tấm patch, gồm: W, L theo tần số
công tác và hằng số điện môi
+ Tính W
+ Tính fr
+ Tính ref
+ Tính L
+ Tính L
- B2. Tính trở kháng của tấm patch Za theo W, L
- B3. Tính toán kích thước đường tiếp điện chuẩn hóa (50 Ohm
Hoặc 75 Ohm…) Zin.
3


- B4. Tính toán đường tiếp điện phối hợp trở kháng Z0.
- B5. Thiết lập nguồn (port) và mô phỏng
b.2) Sử dụng phương pháp inset
- B1. Tính toán kích thước tấm patch, gồm: W, L theo tần số
công tác và hằng số điện môi
+ Tính chiều rộng tấm patch W, tính fr
+ Tính ref
+ Tính L, và tính chiều dài tấm patch L
- B2. Tính toán kích thước đường tiếp điện
Tính chiều rộng đường truyền W0 theo trở kháng chuẩn hóa Zin=
50 hoặc 75 .
Tính chiều dài đường truyền L0 bằng 0/4


B3. Tính toán chiều dài khe phối hợp trở kháng (inset) x0.
B4. Thiết lập nguồn (port) và mô phỏng

4


PHẦN 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI
2.1. Yêu cầu thiết kế
Thiết kế mô phỏng anten vi dải có tần số 3GHz, sử dụng chất
điện môi là RT/duroid 5880 (d=1.588 mm,  r  2.2 )
2.2. Các bước tính toán, thiết kế trên lý thuyết
- Chọn trở kháng của đường dây vào là:
Ω
- Ta có độ dày của chất điện môi là d=1.588 mm,  r  2.2
-> Bước sóng:
0 

c 3 x108

 0.1m  100mm
f 3 x109

- Tính toán các thông số của anten:
+ Chiều rộng:
W

1
2. f r  0 0

+ Hằng số điện môi hiệu dụng:

5

2
0 1

= 39.5 mm


 eff 

r 1

2

 r 1
12d
2x 1 
W = 2.093

+ Chiều dài:
L

c
2. f 0  eff

 0.824.d(

W
 0.264)
d
)
W
 0.258)(  0.8)
d
= 32.89 mm

( eff  0.3)(
( eff

+ Trở kháng trong:
r2
L
Za  90(
)( ) 2  251.67
 r 1 W

+ Độ sâu rãnh PHTK:
X = . = 11.614 mm
+ Chiều dài đoạn dây tranmission line:
== 16.998 mm
- Chiều rộng đoạn dây tranmission line:
Sử dụng công cụ tính toán trong phần mềm CST:
+ Vào home -> Macros -> Calulate -> Calulate analytical line
impedance

6

+ Sau đó chọn Thin Microtrip
+ Nhập tần số, độ dày chất điện môi, hằng số điện môi sau đó
điều chỉnh W sao cho trở kháng Z0=50Ω

Từ đó ta được độ rộng đoạn dây tranmission line là:
= 6.1249188559072 mm
2.3. Bảng thông số tính toán thiết kế
STT
1
2
3

Thông số
0
W

Giá trị
100 mm
39.5 mm
2.093

4
5
6
7

L
x

32.89 mm
11.614 mm
16.998 mm
6.1249188559072

 eff

mm

7


3.MÔ PHỎNG
3.1. Các bước mô phỏng
- B1: Khởi động phần mềm CST STUDIO SUITE
- B2: Tạo một file mới thiết kế các thông số như bảng thông số
trên.
+ Kích thước tấm điện môi như sau:

+ Kích thước tấm patch:

8


+ Kích thước đường tranmission line:

Sau khi thiết kế ta được hình dạng anten vi dải như sau

9

- B3: Chạy mô phỏng
- B4: Kết quả:
Sau khi chạy mô phỏng ta được kết quả như sau:

a) Xét hệ số tổn hao ngược S1.1

-> Nhận xét
Tần số trung tâm là 2.9981 GHz, độ sâu là -42.9 dB -> phối hợp
trở kháng tốt, băng thông làm việc là [2.9 GHz – 3.02 Ghz]= 120MHz
có phần hơi hẹp nguyên nhân là sử dụng chất điện môi RT 5880, bù
lại ta được hiệu suất làm việc tốt nhất.
10


b) Xét farfield (f=3GHz)

11


- Đồ thị polar:

-> Nhận xét:
+ Độ định hướng: 8.05 dbi phù hợp với lý thuyết là độ định
hướng trong khoảng [6.6 dbi – 8.2 dbi]

- Điện áp tỉ số sóng đứng VSWR1:

4. BÀN LUẬN, ĐÁNH GIÁ
12

4.1 So sánh kết quả với mô phỏng lý thuyết
- Về độ lợi, mô phỏng đạt được độ lợi là 8.05 dbi phù hợp so với
lý thuyết
- Sử dụng thông số tính toán trên lý thuyết thì ta thấy:
+ Tần số trung tâm đạt được là 2.99 GHz gần sát với 3GHz
+ Độ lợi, độ định hướng tốt
+ Phối hợp trở tốt
-> Anten với thông số tính toán ban đầu đạt
4.2 Đánh giá
Kết quả quan sát trong quá trình thiết kế và khảo sát như sau:
- Thay đổi chiều dài L và độ rộng W của tấm patch sẽ làm thay
đổi tần số trung tâm và giảm khả năng phối hợp trở kháng của
anten.

13