Tài liệu Microstrip antennas doc

1
Microstrip antennas
2
Giới Thiệu

Hình dạng một số loại anten vi dải thường
dùng

Đặc điểm của MSA

Kỹ thuật cấp nguồn cho MSA

Băng thông

Nguyên lý bức xạ

Mô hình phân tích

Độ định hướng
3
Giới Thiệu

MSA là gì?

Hình dạng thật của một loại MSA
4
Giới Thiệu

Một số dạng MSA thông dụng
5
Ưu điểm của MSA


Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày
mỏng.

Chi phí sản xuất thấp, dễ dàng sản xuất hàng
loạt.

Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ
thuật cấp nguồn đơn giản.

Các đường cấp nguồn và các mạch phối hợp
trở kháng có thể làm đồng thời với việc chế
tạo anten.

Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng
một vật liệu nền.
6
Khuyết điểm của MSA

Băng thông hẹp

Một số MSA có độ lợi thấp.

Khả năng tích trữ công suất bé.

Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía
trên mặt phẳng đất.

Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối
7

Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA

Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải
Cấp nguồn bằng Probe đồng trục
8
Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA

Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần
Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe
9
Băng thông
1VSWR
BW
Q VSWR
−
=
1
1
VSWR
+ Γ
=
− Γ
0
0
in
in
Z Z
Z Z
−
Γ =

+
Thông thường BW được xác định trong vùng tần số mà
VSWR nhỏ hơn 2 (return loss nhỏ hơn -10dB). Đối với
những ứng dụng đặc biệt VSWR nhỏ hơn 1.5 (return loss
nhỏ hơn -14dB.
10
Nguyên lý bức xạ

Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố
trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố
dòng điện mặt trên bề mặt của patch.
11
Các mô hình phân tích

Tại sao dùng mô hình phân tích?

Giảm bớt các chu trình thử nghiệm.

Đánh giá chính xác các ưu khuyết điểm của anten.

Cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải.

Có 2 mô hình phổ biến nhất:

Transmision line model

Cavity model
12

Độ định hướng là một trong những thông số quan trọng

nhất được cho bởi :

Công suất bức xạ:

Độ định hướng của một khe đơn:

Độ định hướng của hai khe:
Độ định hướng
ax ax
0
0
4
m m
rad
U U
D
U P
π
= =
0
0
0
0
3.3 W
W
4 W
D
λ
λ
λ



=
 

 ÷

 

=
?
0
2
0
0
6.6 W
W
8 W
D
λ
λ
λ


=
 

 ÷

 


=
?
0
2
0
3
0
0
W
sin os
2
sin
2 os
rad
k
c
V
P d
c
π
θ
θ θ
η π θ
 
 
 ÷
 
 
 

=
 
 
 
∫
13
Các dạng anten vi dải thông dụng

Rectangular Microstrip Antennas
( RMSAs)

Circular Microstrip Antennas ( CMSAs)

Semicircular Microstrip Antennas
(SCMSAs)

Equilateral Triangular Microstrip
Antennas ( ETMSAs)
14
Rectangular Microstrip Antennas (RMSAs)
15
Các thông số ảnh hưởng đến chất
lượng của RMSA

Vị trí đặt Feed

Chiều rộng W

Bề dày h


Mặt phẳng đất giới hạn

Hằng số điện môi
ε
r
16
Circular Microstrip Antennas (CMSAs)
0
2
nm
e e
K c
f
a
π ε
=
( )
1
2
2
1 ln 1,41 1,77 0,268 1,65
2
e r r
r
h a h
a a
a h a
ε ε
π ε
 

 
 
= + + + + +
 
 
 ÷
 
 
 
( ) ( )
00
,,/,,
εεεε
haChaC
re
=
( )
0
0
0,8525
, , 0,5
r
r f
a
C a h C
h
ε ε π
ε ε
= +
( )

0
2 ln 1,41 1,77 0,268 1,65
2
f r r
a h
C a
h a
ε ε ε
 
 
 
= + + + +
 
 
 ÷
 
 
 
Tần số cộng hưởng:
K
nm
là phần tử thứ m của hàm Bessel bậc n, a
e
và
ε
e
là bán kính và hằng số điện môi hiệu dụng của
anten
17
Semicircular Microstrip Antennas (SCMSAs)

2 , W
4
a
L a
π
→ →
Mô hình tương
đương về dạng
RMSA
18
Equilateral Triangular Microstrip Antennas
(ETMSAs)
2 2
2 ( )
3
mnl mn
e e
c m mn n
f f
S
ε
+ +
= =
4
e
e
h
S S
ε
= +

1/2
1 1 10
1
2 2
r r
e
h
W
ε ε
ε
−
+ −
 
= + +
 
 
W = S/2, m + n + l=0
Tần số cộng hưởng:
Se là chiều dài hiệu dụng:
19
Ví dụ MSA 3.9GHz
r
= 3.3
ε
h = 0.9 (mm)
0
f = 3.9GHz
Các thông số ban đầu:
20
Cho

Xác định
Các bước thiết kế:

Bước 1:
Để đạt được bức xạ hiệu quả, chiều rộng của patch được tính theo công thức:


Bước 2:
Xác định hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải theo công thức:

Bước 3:
Tính độ tăng chiều dài do hiệu ứng phụ theo công thức:
Ví dụ MSA 3.9GHz
0
, f , h
r
ε
l
W, L, x, W ?
0
0
0 0 0
1 2 2
W =
1 2 1
2
r r
v
f
f

ε ε
ε µ
=
+ +
1
2
e
1 1
1 12
2 2 w
r r
h
ε ε
ε
−
+ −
 
= + +
 
 
( )
( )
e
e
w
+0.3 + 0.264
L
h
= 0.412
w

h
- 0.258 0.8
h
ε
ε
 
 ÷
∆
 
 
+
 ÷
 
21
Ví dụ MSA 3.9GHz

Bước 4:
Chiều dài thực sự của patch:

Bước 5:
Tính toán vị trí feed:
Vị trí đặt feed x (feed bằng cách dùng đường truyền vi dải)
Trong đó:
Ta lại có: Với
Mặt khác: ,

(j
0
(l) là hàm bessel theo l)
Với: ,

Thế các giá trị vào
0 e 0 0
1
2
2
L L
f
ε µ ε
= − ∆
2
os
in e
x
R R c
L
π
 
=
 ÷
 
1
2( )
e
r m
R
G G
=
+
2
2 2

2
0
2
2
2
0
4
6 60 W
4
W
r
R
π
π
λ
π
λ
 
+
 ÷
 
=
1
r
r
G
R
=
.
m r g

G G F=
( ) ( )
2
0 2
2
24
g
p
F j l j l
p
= +
−
( )
0
2
l L L
π
λ
= + ∆
0
2
p L
π
λ
= ∆
x?
22
Ví dụ MSA 3.9GHz

Bước 6:

Tính W
l
:
Xác định W
l
với h, ε
e
và trở kháng đặc tính Z
0
ta sử dụng các công thức sau:

Trường hợp 1:

,

Trường hợp 2:
Với
Với các bước thiết kế như trên ta đưa ra được các thông số
tối ưu cho mô hình anten đã chọn như sau:
L=20.8,W=26.2, W
l
=2.1, x=8, W
f
=0.5.
89.91
o e
Z
ε
>
8exp( )

exp(2 ) 2
l
W
A
h A
=
−
1/ 2
0
1 1 0.11
0.23
60 2 1
r r
r r
Z
A
ε ε
ε ε
 
+ −
 
= + +
   
+
 
 
89.91
o e
Z
ε

≤
( )
1
2 0.61
1 ln(2 1) ln 1 0.39
2
l
r
r r
W
B B B
h
ε
π ε ε
 
 
−
 
= − − − + − + −
 
 
 
 
 
2
0
60
r
B
Z

π
ε
=
23
Kết Quả mô phỏng anten 3.9GHz

Hệ số S
11
& hệ số sóng đứng
BW = 46.8MHz
2
3
01/18/14
24
Kết Quả mô phỏng anten 3.9GHz
Trở kháng vào của anten
2
4
01/18/14
25
Kết Quả mô phỏng anten 3.9GHz
Đồ thị bức xạ 2D & 3D
25
01/18/14