I I.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm Anten thiết bị quan trọng thiếu hệ thống truyền thông không dây.Nó thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền không gian tự ngược lại Anten đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò thiết bị ghép mạch điện tử không gian tự do, feeder phận giao tiếp anten mạch điện tử Ngõ vaf feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, anten phát nhận lượng từ máy phát qua feeder xa không gian Tùy vào mục đích sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến người ta sử dụng nhiều loại anten khác nhau, anten parabol với độ lợi tính định hướng cao thường sử dụng truyền hình, thông tin viba, thông tin vệ tinh,… đầu cuối sử dụng loại anten nhỏ anten yagi, anten dây, đặc biệt với phát triền mạnh mẽ công nghệ đầu cuối di động anten vi dải ngày sử dụng rộng rãi không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu cầu người dùng Anten vi dải có kích thước nhỏ có cấu tạo gồm lớp kim loại mặt xạ, lớp kim loại khác gọi mặt đất, lớp điện môi nằm lớp kim loại phận tiếp điện Anten vi dải có nhiều hình dạng hình tròn, hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật, … loại phổ biến có kết cấu hình chữ nhật có hướng tính, độ lợi cao đồng thời dễ kết hợp mạch điện tử mạch in I.2 Các thông số anten - Tần số công tác anten tần số cộng hưởng anten Anten làm việc chế độ cộng hưởng công suất xạ anten lớn nhất; - Hệ số định hướng anten theo hướng cực đại định nghĩa tỉ số cường độ trường xạ vị trí hướng cường độ trường xạ anten chuẩn vị trí tương ứng (D) Hệ số tăng ích ( độ lợi) anten (G=e.D), elaf hiệu suất xạ anten; - Trở kháng vào anten : ZA = RA + jXA Khi kết nối anten với feeder cần ý tới điều kiện phối hợp trở kháng, thông thường trở kháng đặc tính feeder R0, để phối hợp trở kháng ZA = R0; - Hệ số tổn hao RL(dB), đánh giá mức dộ phản xạ sóng điểm kết nối với feeder; - Hệ số sóng đứng SWR, đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng anten feeder II TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG PHẦN MỀM HFSS II.1 Tính toán kích thước anten vi dải làm việc tần số f0 = 2100 Mhz Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt xạ, mặt đất lớp điện môi hai măt kim loại Kích thước mặt xạ, chiều cao hệ số điện môi thông số định tần số cộng hưởng anten Chọn vật liệu chế tạo anten mạch in hai mặt có hệ số điện môi độ dày ε r = 4.5; h = 1.66mm W Chiều rộng mặt xạ tính theo công thức: = f0 Trong đó: c *108 = = 0.04307( m ) ε r +1 4.5 + * 2100 2 c vận tốc ánh sáng f0 tần số cộng hưởng anten ε r hệ số điện môi lớp điện môi Hệ số điện môi hiệu dụng ε reff phụ thuộc vào kích thước (w, h) xác định theo công thức: ε reff ε +1 ε r −1  h = r + + 12   2  w −1 4.5 + 4.5 −  1.66 *10 −3  = + + 12 2  0.04307  Độ dài hiệu dụng anten xác định theo công thức: Leff ≈ c *10 ≈ ≈ 0.03486m f ε reff * 2100 *10 −3 4.1966 Độ tăng độ dài tính theo công thức: −1 = 4.1966 ∆L = 0.412h (ε reff (ε reff w  ( 4.1966 + 0.3)  0.04307−3 + 0.264  + 0.3) + 0.264  h  = 0.412 *1.66 *10 −3  1.66 *10  = 7.64 *10 −4 m w   0.04307  − 0.258) + 0.8  ( 4.1966 − 0.258)  + 0.8  −3 h   1.66 *10  Độ dài thực mặt xạ tính công thức: L = Leff − 2∆l = 0.03486 − * 7.64 *10 −4 = 0.03333m Kích thước mặt đất (Wg Lg) xác định theo công thức : Wg ≈ 6h + W ≈ *1.66 *10 −3 + 0.04307 ≈ 0.05303m Lg ≈ 6h + L ≈ *1.66 *10 −3 + 0.03333 ≈ 0.04328m II.2 Tiếp điện cho anten II.2.1 Tiếp điện cáp đồng trục Trong phương pháp tiếp điện cho anten vi dải cáp đồng trục lõi cáp hàn tiếp xúc với mặt xạ, vỏ cáp tiếp xúc với mặt phẳng đất Vị trí tiếp điện tốt tính toán xác định có tọa độ (L4, W/5) Phương pháp tiếp điện có ưu điểm dễ thực xạ phụ 2.2.2 Tiếp điện đường truyền vi dải Trong kỹ thuật tiếp điện này, dải dẫn kết nối trực tiếp đến cạnh mặt xạ Chiều rộng dải dẫn nhỏ nhiều so với kích thước mặt xạ Vị trí tiếp điện có tọa độ: (L/2, 0) Kích thước dải dẫn xác định sau: Trở kháng đặc tính đường truyền là: Z = 50 ohm Chiều rộng dải dẫn tính theo công thức: WF = h * ε r −1  2 0.61   B − − ln(2 B − 1) +  ln( B − 1) + 0.39 − π 2ε r  ε r   = 1.66 *10 −3 * ε r −1 2 5.58 − − ln(2 * 5.58 − 1) + π 2ε r  0.61  ln( 58 − ) + 39 −  = 3.119mm  ε r    377π Trong đó: B = 2Z ε = 5.58 r Mối qua hệ chiều dài vầ chiệu rông: Lf W f = 3.96 II.3 Mô anten vi dải hoạt động tần số 2100 Mhz bawbgf phần mềm HFSS 11.0 II.3.1 Tiếp điện đường truyền vi dải a Tóm tắt bước thực thiết kế phàn mềm HFSS 11.0 - - Khởi động phần mềm HFSS 11.0 Vẽ mặt đất thiết lập thông số: Tọa độ: 0, 0, Xsize: 43.3 mm, Ysize: 53.03 mm, Zsize: 0.5 mm; loại chất liệu là: copper Vẽ mặt điện môi thiết lập thông số : Tọa độ: 0, 0, Xsize 43.3 mm, Ysize 53.03 mm, Zsize: 1.66 mm, loại chất liệu là: FR4_epoxy.Vẽ mặt xạ thiết lập thông số: Tọa độ: 7.35, 0.1, 2.16 Xsize: 43.1 mm, Ysize: 33.33 mm, Zsize: 0.1 mm, loại chất liệu là: copper chon mặt xạ cho mặt patch Vẽ đường feed line thiết lập thông số: Tọa độ: 20.14, 41.03, 2.16; Xsize: 3.12, Ysize: 12.35, Zsize: 0.1; loại chất liệu là: copper Thiết lập cấp nguồn cho đường truyền vi dải theo thông số: Tọa độ: 20.0, 53.03, 0; Axis: Y, Xsize: 3.12 mm, Zsize: mm Vẽ hộp tạo không gian có kích thước: Tọa độ: 0, 0, size: 50 mm, Ysize: 60 mm, Zsize: 10 mm, loại chất liêu là: air Tạo mặt xạ cho mặt bốn mặt xung quanh Thiết lập thông số xạ, chọn tần số làm việc 2100 Mhz giới hạn tần số quét: từ 1500 Mhz  2500 Mhz, kích thước bước nhảy 10 Mhz Kiểm tra lỗi: Không có lỗi xảy Phân tích thiết kế Hình dạng mô anten vi dải thiết kế phần mềm HFSS 11.0: Hình 2.1 hình dạng anten mô phần mềm HFSS 11.0 b Kết mô - Tần số cộng hưởng: S11 He so suy hao(dB) -2 -4 -6 -8 -10 -12 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Tan so (Ghz) Hình 2.2 Tần số cộng hưởng anten qua mô Nhận xét: - Dựa vào đồ thị thấy độ suy hao anten lớn Anten thiết kết hoạt động chưa xác tần số lựa chon sai số mô lý thuyết 1.4% - Băng thông hoạt động xét điểm có dộ suy giảm -9.5 db là: 2030 Mhz  2115 Mhz; cho biết khoảng tần số anten xạ với công suất lớn - Đồ thị Smith: Hình 2.3 Đồ thị smith qua mô Nhận xét: Dựa vào đồ thị cho thấy gần tần số cộng hưởng trở kháng phối hợp có giái trị chưa lý tưởng, nhĩa phối hợp trở kháng không tốt - Hệ số sóng đứng: S11 45 40 35 He so song dung 30 25 20 15 10 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Tan so (Ghz) Hinh 2.4 Mối quan hệ hệ số sóng đứng tần số Nhận xét: Hệ số sóng đứng bắt điểm tần số cộng hưởng 0.8 Ghz 1.9225 Điều cho thấy phối hợp trở kháng đường feed line mặt xạ chưa tốt Vì hệ số sóng đứng tỉ lệ V max/Vmin, nên hệ số gần giá trị có nghĩa phối hợp trở kháng tốt - Xem búp sóng xạ độ lợi: a b Hình 2.5 Búp sóng xạ (a) độ lợi (b) anten mô Nhận xét: Dựa vào hình nhận thấy độ lợi đạt từ đến lần đạt tiêu chuẩn, so với anten đạt giá trị thuộc khoảng Màu đỏ nghĩa phần lượng xạ hướng cực đại có giá trị độ lợi đạt số lần lớn mà anten xạ - Độ lợi tính theom đơn vị dB: Hình 2.6 Độ lợi tính theo đơn vị dB Nhận Xét: Dựa vào hình thấy độ lợi tính theo dB có hướng cực đại xạ đạt: -7.3382*e-001 dB Hướng xạ hướng thẳng đứng đúngtheo yêu cầu II.3.2 Tiếp điện cáp đồng trục a Tóm tắt bước thiết kế: - Các bước vẽ anten tương tự anten cấp nguồn đường truyền vi dải Thiết kế đường tiếp điện đặt vị trí có tọa độ: 21.6, 26.51 với bán kính: 1mm, cao 2.16 mm Cắt lớp đất điện môi tạo lỗ để đưa cáp vào Vẽ lõi tiếp điện có tọa độ: 2.16, 26.51, -1 với bán kính: 0.8 mm, chiều cao 3.16 mm Vẽ hình tròn tiếp xúc lõi, sau tiếp điện tiếp điện đường truyền vi dải Thiết lập không gian xạ thông số tần số phần tiếp điện vi dải Kiểm tra lỗi: Không có lỗi Hình ảnh anten thiết kế phần mềm HFSS 11.0 Hình 2.7 Hình ảnh anten tiếp điện cáp đồng trục b Kết mô - Tần số cộng hưởng: S11 -2 He so suy hao (dB) -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Tan so (Ghz) Hình 2.8 Tần số cộng hưởng anten mô 2.1 Ghz Nhận xét: Tần số cộng hưởng có sai số nhỏ tần số cộng hưởng cấp nguồn feed line Ở trường hợp sai số là: 0.95%, độ xác cao - Đồ thị Smith: Hình 2.9 Đồ thị smith anten mô Nhận xét: Bắt điểm tần số cộng hưởng kết đạt hình, trở kháng phối hợp tốt tiếp điện feed line - Hệ số sóng đứng (SWR): S11 He so song dung (SWR) 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Tan so (Ghz) Hình 2.10 Hệ số sóng đứng anten mô Nhận xét: Hệ số sóng đứng tần số xét bắt điểm thu giá trị 1.4601 Như có sóng phản xạ trở lại, Nêm vị trí chọn để tiếp điện chưa phải vị trí phối hợp trở kháng hoàn toàn - Xem búp sóng xạ độ lợi: Hình 2.11 Búp sóng xạ độ lợi anten thiết kế Nhận xét: Dựa vào kết thu nhân thấy anten đạt mơcs xạ cực đại 5.665*e003, thấp so với tiếp điện vi dải - Độ lợi theo đơn vị dB Hình 2.12 Độ lợi tính theo dB Nhận xét: Độ lợi tính theo đơn vị dB cho thấy mức độ xạ anten thiết kế hướng công suất chưa tốt III KẾT LUẬN Thông qua hai phương pháp tiếp điện nhận thấy phương pháp tiếp điện cáp đồng trục có sai số kết nhỏ so với phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải Đồng thời qua thực hành chco em hiểu rõ mối quan hệ thông số tần số cộng hưởng liên quan đến kích thước mặt xạ vị trí ta tiếp điện; hệ số suy hao liên quan đến kích thước đường tiếp điện Hiểu rõ bước chế tạo anten thật cần chế tạo anten phải thực mô trước để linh hoạt khảo sát điều chỉnh để đạt thông số mong muốn, giảm thiểu rủi ro tiết kiệm chi phí cho việc chế tạo [...]... tiếp điện bằng vi dải - Độ lợi theo đơn vị dB Hình 2.12 Độ lợi tính theo dB Nhận xét: Độ lợi tính theo đơn vị dB cho thấy mức độ bức xạ của anten thiết kế đúng hướng nhưng về công suất vẫn chưa tốt lắm III KẾT LUẬN Thông qua hai phương pháp tiếp điện trên nhận thấy phương pháp tiếp điện bằng cáp đồng trục có sai số về các kết quả nhỏ hơn so với phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải Đồng thời... so (Ghz) Hình 2.10 Hệ số sóng đứng của anten mô phỏng Nhận xét: Hệ số sóng đứng tại tần số xét bắt điểm thu được giá trị 1.4601 Như vậy vẫn có sóng phản xạ trở lại, Nêm tại vị trí đã chọn để tiếp điện vẫn chưa phải là vị trí phối hợp trở kháng hoàn toàn - Xem búp sóng bức xạ và độ lợi: Hình 2.11 Búp sóng bức xạ và độ lợi của anten thiết kế Nhận xét: Dựa vào kết quả thu được nhân thấy anten đạt mơcs bức... cũng liên quan đến kích thước của đường tiếp điện Hiểu rõ các bước chế tạo một anten thật và khi cần chế tạo một anten thì phải thực hiện mô phỏng trước để có thể linh hoạt khảo sát và điều chỉnh để đạt được thông số mong muốn, giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí cho vi c chế tạo