Bài tập lớn Anten truyền sóng Anten vi dải Microstrip patch HFSS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN ANTEN-TRUYỀN SÓNG

ĐỀ TÀI:
MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU
CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI
VỚI PHƯƠNG PHÁP
TẠO DỊ TẬT TRÊN MẶT PHẲNG ĐẤT
GVHD: TS. Phan Xuân Vũ

Mã lớp: 112087
NHÓM THỰC HIỆN
Họ và tên
Nguyễn Công Phúc (NT)
Lưu Văn Đức
Lê Văn Tiến Dũng
Hoàng Nhật Quang

MSSV
20172749
20172482
20172492
20172772

Hà Nội, tháng 12 năm 2019


MỤC LỤC ................................................................................................. 2

ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................ 3
ANTEN VI DẢI VỚI MẶT PHẲNG ĐẤT KHÔNG CÓ DỊ TẬT ............. 4
1. Theo bài báo ....................................................................................4
2. Mô phỏng ......................................................................................... 7
ANTEN VI DẢI VỚI MẶT PHẲNG ĐẤT CÓ DỊ TẬT ............................ 11
1. Theo bài báo ................................................................................... 11
2. Mô phỏng ....................................................................................... 14
KẾT LUẬN ............................................................................................... 16

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

2


Anten vi dải có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong
hệ thống thông tin liên lạc. Tuy nhiên, anten vi dải có dải tần hẹp dẫn
đến việc mở rộng dải tần là cần thiết tùy theo các yêu cầu ứng dụng
thực tế. Để tăng dải tần của anten, chúng ta có thể giảm hằng số điện
môi, tuy nhiên điều này dẫn sẽ tới tăng kích thước.
Bài toán đặt ra là: Giữ nguyên kích thước của anten mà có thể
tăng được dải tần của anten cũng như nâng cao đến hiệu suất hoạt
động của Anten.
Do đó để tăng dải tần mà không thay đổi kích thước, người ta sử
dụng kỹ thuật Defected Ground Structure (DGS) là một kỹ thuật dùng
để sửa đổi lại mặt phẳng đất trong anten để nâng cao hiệu suất hoạt
động của anten. Kỹ thuật này được hiểu đơn giản là đặt một “dị tật”
lên trên mặt phẳng đất của anten vi dải.
Trong bài báo cáo này, chúng em dựa trên bài báo “Design and
Improvement of Microstrip Patch Antenna Parameters Using
Defected Ground Structure” tiến hành mô phỏng anten vi dải cơ bản

không sử dụng kỹ thuật DGS và so sánh với anten vi dải có mặt phẳng
đất bị khuyết dạng hình chữ H kép.
Nhóm chúng em sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng anten Ansys
HFSS để mô phỏng lại và so sánh 2 anten này và so sánh với bài báo

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

3


1. Theo bài báo
Anten này được bài báo thiết kế để hoạt động ở tần số 2,4 GHz.
Phần đế(substrate) sử dụng vật liệu điện môi môi FR4-epoxy với hằng
số điện môi ε=4.4, phối hợp trở kháng bằng cách cắt sâu vào một
khoảng yo. Các thông số thiết kế khác được tác giả trình bày trong
hình và bảng sau:

Hình 1: Thông số thiết kế

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

4


Với các thông số thiết kế như trên, kết quả mô phỏng thu được như sau:
Mô phỏng tại tần số
2.4 Ghz, anten vi dải
có hệ số phản xạ -15.5 dB,
tuy nhiên dải tần tính tại
các điểm đồ thị giao với

đường -10 dB khá hẹp.

Hình 2: Đồ thị S(1,1) theo kết quả mô phỏng của bài báo
Hệ số sóng đứng điện áp
tại tần số mô phỏng đạt
được là 1.435 là rất tốt,
chỉ khoảng 4% năng
lượng truyền tới anten bị
phản xạ lại.

Hình 3: Đồ thị hệ số sóng đứng điện áp theo kết quả mô phỏng của bài báo

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

5


Trên hình, tăng ích tối đa thu
được là 4.2 dB với băng thông
(beamwidth) 93.6130.

Hình 4: Đồ thị phương hướng bức xạ theo kết quả mô phỏng của bài báo

Từ đồ thị Smith, ta thấy
anten có trở kháng vào
54.587 Ohm tại tần số 2.4
Ghz, chưa phối hợp trở
kháng 50 Ohm.

Hình 5: Đồ thị Smith của anten theo kết quả mô phỏng của bài báo

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

6


2. Kết quả mô phỏng
Nhóm chúng em thực hiện mô phỏng với các thông số như trong bảng
sau:
Wg
Lg
wp
lp
wc
47.6363mm 37.9012mm 38.03mm 28.3mm 5mm

Thông số
tính toán
Thông số 47.6363mm 37.9012mm 38.03mm 29mm
tối ưu

5.3mm

lc
wo
8.1016mm 3mm
8.1016mm 3mm

Hình 6: Kích thước mặt trên của anten vi dải
• Kết quả mô phỏng theo thông số bài báo tính toán cung cấp:

Đồ thị S(1,1) không đi xuống ở tần số 2,4Ghz mà bị lệch sang khoảng
2,469GHz. Cần phải tối ưu lại

Hình 7: Đồ thị S(1,1) mô phỏng thông số bài báo cung cấp
BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

7


• Kết quả mô phỏng theo thông số tối ưu được:
Đồ thị S(1,1)

Hình 8: Đồ thị S(1,1) theo thông số đã tối ưu
Từ đồ thị có thể thấy đồ thị đã đi xuống ở điểm có tần số 2.4 Ghz
Bài báo
Mô phỏng

Hệ số phản xạ
-15.5dB
-14.8490

Dải tần
42MHz
65.5Mhz

Đồ thị VSWR

Hình 9 : Đồ thị VSWR theo thông số đã tối ưu

Ở 2.4Ghz, VSWR đạt được là 1,4420 khá gần so với 1.435 của

bài báo.

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

8


Đồ thị phương hướng bức xạ

Hình 10: Đồ thị phương hướng bức xạ theo thông số đã tối ưu

Gain lớn nhất đạt được là 2.157dB trong khi của bài báo mô
phỏng được là 4.2dB

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

9


Đồ thị Smith

Hình 11: Đồ thị Smith theo thông số đã tối ưu
Kết quả anten mô phỏng phối hợp trở kháng khá tốt với đường S(1,1)
đi qua (R=1).

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

10

1. Theo bài báo
Tác giả giữ nguyên thiết kế phần trên, chỉ thay đổi cấu trúc của
phần mặt phẳng đất. Với việc thêm dị tật khuyết chữ H vào phần này,
tác giả muốn tìm hiểu ảnh hưởng của việc sử dụng DGS trong thiết kế
ăn ten vi dải.
Theo bài băng thông của anten này khi có dị tật khuyết chữ H kép
ở mặt phẳng đất cải thiện được 34,1846 MHz, hệ số phản xạ lên tới 33.73dB so với anten cơ bản không có dị tật.

Hình 12: Kích thước của dị tật khuyết chữ H kép ở mặt phẳng đất

Với thiết kế như vậy, tác giả bài báo thu được kết quả mô phỏng như
sau:

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

11


Ta có thể thấy băng thông được
tăng lên tới 76.8158 Mhz với hệ
số phản xạ -33.73 dB
so với -15.5 dB trước khi
sử dụng DGS.

Hình 13: Đồ thị S(1,1) với DGS theo kết quả bài báo

Tỷ số sóng đứng tại tần số
2.4GHz đạt 1.06, nghĩa là
gần như tất cả năng lượng
truyền tới ăn ten đều không

bị phản xạ lại

Hình 14: Đồ thị VSWR với DGS theo kết quả bài báo
BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

12


Kết quả thu được
Gain lớn nhấn 4.3 dB
không thay đổi nhiều
so với khi chưa sử dụng
DGS.

Hình 14: Đồ thị phương hướng bức xạ với DGS theo kết quả bài báo

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

13


2. Kết quả mô phỏng
Thông số tính toán
Thông số tối ưu

Thông số tính toán

HL1
L W
22mm 5mm

H1
L W
22mm 2mm

HR1
L W
22mm 2mm

HL2
L W
20mm 2mm

H2
L W
34mm 2mm

HR2
L W
20mm 2mm

Thông số tối ưu

• Theo thông số bài báo:

Đồ thị S(1,1)

Kết quả mô phỏng thất bại, đồ thị S(1,1) không đi xuống tại 2.4GHz.

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

14


• Theo thông số tối ưu:

Chưa thể tối ưu được các thông số để ra được kết quả theo như bài
báo.

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

15


Qua quá trình tìm hiểu và mô phỏng lại ăn ten vi dải được trình
bày trong bài báo, việc thêm các dị tật trên mặt phẳng đất của anten sẽ
giúp làm giảm hệ số phản xạ cũng như cải thiện độ rộng dải thông,
vốn là nhược điểm lớn nhất của anten vi dải.
Dù đã cố gắng tìm hiểu, nhưng do còn chưa đủ kỹ năng nên
nhóm chúng em vẫn chưa mô phỏng được thành công tác dụng của
việc sử dụng DGS trong thiết kế ăn ten vi dải.
Thông bài tập lớn lần này, chúng em thấy rằng việc thiết kế anten
có đặt DGS trên mặt phẳng đất của anten vi dải phải được tính toán
thật kĩ (cả về kích thước lẫn vị trí trên mặt phẳng đất của anten vi dải).
Chúng ta cần phải khảo sát bằng phần mềm mô phỏng trước khi đưa
vào mạch thực tế.
Lời cuối, chúng em xin cảm ơn thầy vì những kiến thức và kinh
nghiệm quý báu thầy đã dạy chúng em trong suốt quá trình học. Đó sẽ
là hành trang quý báu giúp chúng em trong quá trình học tập và
nghiên cứu sau này.

BTL ANTEN - TRUYỀN SÓNG

16