Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông nghiên cứu và thiết kế anten vi dải
LỜI CẢM ƠNĐầu 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 viênPhạm Phú Hưng Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. LỜI MỞ ĐẦUTruyền 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.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 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. DANH MỤC HÌNH VẼ.Sinh viên : Phạm Phú Hưng 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. MỤC LỤC Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI1. Lý thuyết chung về anten.1.1. Giới thiệu anten.Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín hiệu RF (Radio Frequency : tần số vô tuyến) và sự bức xạ,lan truyền của sóng điện từ trong không gian.Thông thường,giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ,gọi là fide (như hình 1.1).Trong hệ thống này,máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần.Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do an ten phát truyền đi,phần còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian)và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồi truyền đến máy thu. Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền dẫn và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu.1.2. Các tham số cơ bản của anten .1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten.Hình 1. Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian,bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ.Trước hết,trường từ biến thiên sinh ra trường điện biến thiên,sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên.Quá trình này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H).Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian.Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten,nó sẽ hình thành hai trường.Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần),trường này bị ràng buộc với anten,có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten.Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình 1.2).Tại khu xa,chỉ có bức xạ được duy trì.Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trường điện từ.Trường điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự do.Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển.Trường khu xa là một sóng phẳng;khi sóng truyền đi,năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng dần theo khoảng cách.Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng.1.2.2. Giản đồ bức xạ.Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng.Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặc tính bức xạ và đặc tính định hướng của anten.Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không gian.Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công suất bức xạ,cường độ bức xạ,hệ số định hướng…Hình 1. Các trường bức xạ ở khu xa. Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten.Giản đồ đẳng hướng và hướng tínhAnten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đầu vào thành công suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế.Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại. Hình 1. Hệ tọa độ phân tích của anten.Hình 1. Bức xạ đẳng hướng.Hình 1. Bức xạ hướng tính Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính của anten.Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao cho mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x,y hoặc z) như hình 1.5.Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân thành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D). Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại,trong hình 1.6 thùy chính có hướng θ = 0.Trên thực tế,có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính.Thùy phụ là bất kỳ thùy Hình 1. Các búp sóng trong không gian 3 chiềuHình 1.6. Các búp sóng trong Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. nào ngoài thùy chính.Thông thường,thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của thùy chính.Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 1800 so với thùy chính và thường định xứ ở bán cầu ngược với thùy chính. 1.2.3. Mật độ công suất bức xạ.Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫn sóng.Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tức thời : W = E × H (1.1)W = vector Poying tức thời (W/m2)E = cường độ điện trường tức thời (V/m)H = cường độ từ trường tức thời (A/m).Hình 1. Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông. Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín. ˆS S× × ×∫∫ ∫∫= =Ò Ò P W Wds n da (1.2) P = tổng công suất tức thời (W). ̂n = vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt.da = vi phân diện tích của bề mặt (m2).Khi trường biến đổi theo thời gian,ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy tích phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ.Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng ejwt,ta định nghĩa được thành phần E và H,chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H theo công thức như sau : E (x,y,z)= Re [E(x,y,z)ejωt] =12 Re [E ejωt+E¿e− jωt ] (1.3) H(x,y,z)= Re [H(x,y,z)ejωt] = 12 Re [H ejωt+ H¿e−jωt ] (1.4)Khi đó (1.1) có thể được viết lại : W = E × H = 12 Re [E H¿] + 12 Re[EH ej2ωt] (1.5)Thành phần đầu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian với tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước.Vector Poying trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình ) có thể được viết lại : E ×H∗¿Wav(x , y , z)=[W ( x , y ,z ;t )]av=12ℜ ¿ (1.6)Dựa trên (1.6),công suất phát xạ trung bình của anten có thể được định nghĩa là : [...]... quát ta có thể chia anten vi dải ra làm bốn loại cơ bản : anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy 2.2.1 Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) Một anten patch vi dải, có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng,nằm trên một mặt của chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền .Thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ... như anten patch vi dải ,anten khe có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải hay sóng dẫn phẳng Anten khe có thể bức xạ ở cả 2 chiều của khe Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Vi n Thông Hình 1 Anten vi dải lưỡng cực Hình 1 Anten vi dải khe mạch in 2.2.4 Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna) Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường truyền vi dải. .. của anten sóng chạy được phối ghép với một mạch phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng phản xạ trong đường truyền Các đặc patch vi dải, dải ,anten vi được biểu 1.1 Hình 1 Anten sóng chạy trưng của anten anten khe vi dải lưỡng cực diễn trong bảng Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Vi n Thông Anten patch vi dải Cấu hình Chế tạo Phân cực Hình dạng Bức xạ nhiễu Băng thông Anten vi dải khe hở Anten. .. điện môi của không khí và hằng số điện môi của chất nền Hình 1 Cấu trúc đường truyền vi dải Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Vi n Thông Tiếp điện bằng đường truyền vi dải Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì có thể xem patch là phần mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo cả hai đồng thời .Vi c ghép nối đường truyền vi dải với patch có thể thực... dạng khác của anten patch vi dải Về mặt hình lưỡng cực chỉ khác chữ nhật ở tỉ lệ của chiều dài (hình của một anten lưỡng cực thường nhỏ hơn 0.05 lưỡng cực Dipole Antenna) λ0 học, anten vi dải anten patch hình chiểu rộng và 1.16).Chiều rộng Thành phần bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch cũng tương tự nhau do chúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc.Tuy nhiên điện trở bức xạ và băng thông... Office (MWO) và Analog Office (AO).Ba phần mềm này được tích hợp đầy đủ trong môi trường AWR và cho phép lồng thiết kế mạch vào trong thiết kế hệ thống mà không cần phải rời khỏi môi trường thiết kế AWR VSS cho phép chúng ta thiết kế và phân tích các thiết bị thông tin liên lạc từ đầu cuối đến đầu cuối.Chúng ta có thể thiết kế một hệ thống bao gồm tín hiệu điều chế,sơ đồ mã hóa,các khối kênh và các đo... của anten còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố kháng như : hình dạng anten, kỹ thuật tiếp điện,các yếu tố xung quanh…Do sự phức tạp của nó,chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu, phân tích tỉ mỉ.Với các loại anten khác ,trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm 2 Lý thuyết chung về anten vi dải 2.1 Giới thiệu Các khái niệm đầu tiên của anten vi dải được đưa ra bởi Deschamp (1953),Gutton và. .. độ lớn và ngược nhiều nhau.Ở hai khe dọc theo trục y (dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bức xạ.Như vậy bức xạ của patch có thể được biểu diễn bằng 2 khe dọc như hình 1.13 2.2 Các loại anten vi dải thông dụng Hình 1 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương Anten vi dải được đăc trưng bởi nhiều tham số vật lý.Chúng có thể được thiết kế với nhiều hình dạng và hướng... để mở rộng vùng vi n (fringing field)_vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạ của anten vi dải. Tuy nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sử dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn ( ϵ r ≤10 ) 2.1.1.Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thường khác và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số băng... hình dạng khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Vi n Thông tròn được sử dụng nhiều nhất.Thông thường chúng có độ lợi từ 5 – 6 dB và có độ rông búp sóng – 3dB ở 70 Ngoài ra,còn có patch vi dải dùng cho biệt như trong hình 2.2.2 Anten vi dải (Microstrop 0 - 90 0 Hình 1 Các dạng anten patch vi dải thường dùng những anten các ứng dụng đặc 1.15 . chia anten vi dải ra làm bốn loại cơ bản : anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy. 2.2.1. Anten. anten patch vi dải, anten khe vi dải ,anten vi dải lưỡng cực được biểu diễn trong bảng 1.1.Hình 1. Anten vi dải lưỡng cựcHình 1. Anten
