Khóa luận nghiên cứu và thiết kế anten vi dải

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tình truyền

đạt kiến thức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện

để em có thể thực hiện khóa luận này.

Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị Tú

Quỳnh,những người đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa

luận.

Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trong

những lúc gặp khó khăn khi thực hiện khóa luận.

Em xin chân thành cảm ơn tất cả.

Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010

Sinh viên

Phạm Phú Hưng

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây,

theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu

thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ

kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten

mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các

thiết bị đầu cuối, … sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này,

kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà

nghiên cứu anten.

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các

yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM

(Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital

Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication

System,1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System,

1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan.

Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho

hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải

tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).Anten vi dải vốn đã có

băng thông hẹp nên việc mở rộng băng thông thường là một yêu cầu hết sức quan trọng

đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng

thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải.

Khóa luận tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật

với kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR nhằm làm rõ những đặc trưng cơ

bản như đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng … của anten vi dải.

Khóa luận gồm 3 chương :

 Chương 1 : Lý thuyết về anten và anten vi dải.

 Chương 2 : Giới thiệu phần mềm AWR.

 Chương 3 : Thiết kế,mô phỏng anten vi dải bằng AWR.

Phần đầu trong chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten cùng với các tham số cơ bản

của nó như giản đồ bức xạ,hệ số định hướng,hệ số tăng ích…Phần tiếp theo trình bày sơ

lược về lý thuyết anten vi dải,ưu và nhược điểm các loại anten vi dải và các kỹ thuật tiếp

điện thường gặp cho chúng.

Sinh viên : Phạm Phú Hưng ii

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

Chương 2 trình bày một cách tổng quát về cách tổng quan về phần mềm thiết kế

AWR,sơ lược cách sử dụng phần mềm.

Chương 3 đi vào tính toán,thiết kế các tham số cần thiết cho một anten patch vi dải

tuyến tính ghép khe hở và tiến hành mô phỏng nó trên phần mềm AWR.Cuối chương 3 là

phần kết luận và đặt ra những hướng phát triển tiếp theo nhằm giúp đề tài hoàn thiện hơn.

Sinh viên : Phạm Phú Hưng iii

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

DANH MỤC HÌNH VẼ.

Hình 1. 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ..........................................................4

Hình 1. 2 Các trường bức xạ ở khu xa................................................................................5

Hình 1. 3 Hệ tọa độ phân tích của anten.............................................................................6

Hình 1. 4 Bức xạ không hướng tính...................................................................................7

Hình 1. 5 Bức xạ hướng tính..............................................................................................7

Hình 1. 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều..............................................................8

Hình 1. 7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều...............................................................9

Hình 1. 8 Phân cực của anten...........................................................................................12

Hình 1. 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải...................................................................15

Hình 1. 10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải.........................................17

Hình 1. 11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100.............................................18

Hình 1. 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100............................................................19

Hình 1. 13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương......................................................19

Hình 1. 14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng.......................................................20

Hình 1. 15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải.....................................................21

Hình 1. 16 Anten vi dải lưỡng cực...................................................................................22

Hình 1. 17 Anten vi dải khe mạch in................................................................................22

Hình 1. 18 Anten sóng chạy.............................................................................................23

Hình 1. 19 Cấu trúc đường truyền vi dải..........................................................................24

Hình 1. 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải................................................................25

Hình 1. 21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục.........................................................................26

Hình 1. 22 Kỹ thuật ghép gần...........................................................................................27

Hình 1. 23 Kỹ thuật ghép khe hở.....................................................................................28

Hình 1. 24 Cấu trúc song song.........................................................................................30

Hình 1. 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch.................................................................30

Hình 1. 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều........................................................31

Hình 1. 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp...........................................................................32

Hình 1. 28 Mảng cộng hưởng...........................................................................................32

Hình 1. 29 Mảng sóng chạy.............................................................................................33

Hình 1. 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy........................................................34

Hình 2. 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR...........................................36

Hình 2. 2 Môi trường thiết kế AWR.................................................................................37

Hình 2. 3 Schematic và Netlist........................................................................................39

Sinh viên : Phạm Phú Hưng iv

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

Hình 2. 4 Sơ đồ hệ thống..................................................................................................40

Hình 2. 5 Cấu trúc EM.....................................................................................................40

Hình 2. 6 Các thao tác trên cấu trúc EM..........................................................................41

Hình 2. 7 Layout..............................................................................................................42

Hình 2. 8 Layout Manager...............................................................................................43

Hình 2. 9 Truy xuât các tế bào layout trong Cell Libraries..............................................44

Hình 2. 10 Thiết lập tần số cho hệ thống VSS..................................................................46

Hình 2. 11 Hộp thoại Enclosure.......................................................................................48

Hình 2. 12 Định nghĩa một chất điện môi........................................................................48

Hình 2. 13 Thiết lập thông số cho các lớp chất nền..........................................................49

Hình 2. 14 Thiết kế vật dẫn cho cấu trúc..........................................................................50

Hình 3. 1 Ảnh hưởng của độ dày và hằng số điện môi của chất nền tới băng thông trở

kháng và hiệu suất của anten (với VSWR<2)...................................................................50

Hình 3. 2 Anten patch hình chữ nhật................................................................................52

Hình 3. 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn..............................................................52

Hình 3. 4 Anten vi dải ghép khe hở..................................................................................57

Hình 3. 5 Thiết lập dãy tần số hoạt động cho anten..........................................................66

Hình 3. 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu................................................................67

Hình 3. 7 Tạo lớp cho anten.............................................................................................68

Hình 3. 8 Tạo vật dẫn cho anten.......................................................................................68

Hình 3. 9 Tạo mặt phẳng đất............................................................................................69

Hình 3. 10 Định vị trí cho mặt phẳng đất.........................................................................70

Hình 3. 11 Thiết kế patch.................................................................................................71

Hình 3. 12 Xác định vị trí cho patch................................................................................71

Hình 3. 13 Đường truyền vi dải........................................................................................72

Hình 3. 14 Định vị trí cho đường nối vi dải.....................................................................72

Hình 3. 15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR.............................................................73

Hình 3. 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải..........................................................................73

Hình 3. 17 Đáp ứng tần số của thông số S11....................................................................74

Hình 3. 18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều......................75

Hình 3. 19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống....................................................75

Sinh viên : Phạm Phú Hưng v

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................i

LỜI MỞ ĐẦU..................................................................................................................ii

DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................iv

MỤC LỤC........................................................................................................................1

Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI..........................4

1. Lý thuyết chung về anten........................................................................................4

1.1. Giới thiệu anten.................................................................................................4

1.2. Các tham số cơ bản của anten .........................................................................5

1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten.......................................................5

1.2.2. Giản đồ bức xạ............................................................................................6

1.2.3. Mật độ công suất bức xạ............................................................................9

1.2.4. Cường độ công suất bức xạ......................................................................10

1.2.5. Hệ số định hướng......................................................................................11

1.2.6. Hệ số tăng ích............................................................................................11

1.2.7. Phân cực....................................................................................................12

1.2.8. Băng thông................................................................................................14

1.2.9. Trở kháng vào..........................................................................................14

2. Lý thuyết chung về anten vi dải............................................................................15

2.1. Giới thiệu.........................................................................................................15

2.1.1. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải......................................................16

2.1.2. Cơ chế bức xạ............................................................................................17

2.2. Các loại anten vi dải thông dụng....................................................................19

2.2.1. Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna).....................................19

2.2.2. Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dipole Antenna)...........................21

2.2.3. Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna)............................................21

2.2.4. Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna)............22

2.3. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải.......................................................23

2.3.1. Đường truyền vi dải (Microstrip Feed)...................................................23

Sinh viên : Phạm Phú Hưng 1

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

2.3.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed)........................................25

2.3.3. Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed)...................................26

2.3.4. Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed)...............................26

2.4. Mảng anten vi dải............................................................................................28

2.4.1. Giới thiệu..................................................................................................28

2.4.2. Đường dẫn song song...............................................................................29

Chương 2. TÌM HIỂU PHẦN MỀM AWR..................................................................34

1. Giới thiệu phần mềm AWR...................................................................................34

2. Môi trường thiết kế AWR.....................................................................................35

2.1. Các thành phần cơ bản của AWR..................................................................35

2.2. Các thao tác cơ bản trên AWR......................................................................37

2.2.1. Schematic và Netlist trong MWO/AO....................................................37

2.2.2. Sơ đồ hệ thống trong VSS........................................................................38

2.2.3. Cấu trúc EM.............................................................................................38

2.2.4. Tạo layout với MWO và AO....................................................................40

2.2.5. Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra...................................................43

2.2.6. Biểu diễn mô phỏng..................................................................................44

Chương 3. THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI.......................................................................50

1. Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế.............................................................50

1.1. Chất nền...........................................................................................................50

1.2. Hình dạng patch..............................................................................................51

1.3. Kỹ thuật tiếp điện............................................................................................52

2. Thiết kế,tính toán thông số....................................................................................53

2.1. Patch.................................................................................................................54

2.1.1. Chất nền....................................................................................................54

2.1.2. Tần số thiết kế...........................................................................................54

2.1.3. Mode cơ bản..............................................................................................54

2.1.4. Tỉ số kích thước........................................................................................55

2.1.5. Chiều dài patch.........................................................................................55

Sinh viên : Phạm Phú Hưng 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

2.1.6. Chiều rộng patch......................................................................................55

2.1.7. Băng thông của patch...............................................................................56

2.1.8. Vị trí đặt patch..........................................................................................57

2.2. Mặt phẳng đất.................................................................................................57

2.3. Đường nối vi dải..............................................................................................57

2.3.1. Chất nền....................................................................................................58

2.3.2. Sóng trong đường truyền vi dải...............................................................58

2.3.3. Độ rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải...........................................59

2.3.4. Giá trị quasi-static của trở kháng đặc trưng..........................................60

2.3.5. Độ phân tán trong đường truyền vi dải..................................................60

2.3.6. Độ rộng đường truyền vi dải...................................................................62

2.4. Khe hở và nhánh cụt.......................................................................................63

2.4.1. Vị trí đặt khe hở.......................................................................................63

2.4.2. Độ dài khe hở............................................................................................63

2.4.3. Độ rộng khe hở.........................................................................................64

2.4.4. Chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt.........................................................64

2.4.5. Chiều dài nhánh cụt.................................................................................64

3. Thiết kế,mô phỏng bằng AWR..............................................................................65

3.1. Mô phỏng trên AWR......................................................................................66

3.1.1. Thiết lập thông số cho anten....................................................................66

3.1.2. Thiết kế anten trên AWR.........................................................................69

3.2. Kết quả mô phỏng...........................................................................................74

4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài...............................................................76

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................78

Sinh viên : Phạm Phú Hưng 3