thiết kế anten

8/12/2019 thiết kế anten

http://slidepdf.com/reader/full/thiet-ke-anten 1/20

44

CHƯƠ NG 3: THIẾT K Ế V À M Ô PH ỎNG

ANTEN VI DẢI

3.1. GIỚ I THIỆU

Trong chươ ng này sẽ giớ i thiệu quá trình thiết k ế một anten vi dải hình chữ nhật

và cách phối hợ p tr ở kháng cho anten sử dụng k ết quả thu đượ c từ mô hình đườ ng truyền

sóng và hốc cộng hưở ng trong chươ ng 2. Mục tiêu là tính toán và thiết k ế một anten vi

dải hoàn chỉnh dùng trong thông tin di động. Quá trình tính toán và thiết k ế đượ c thực

hiện theo các bướ c sau:

• Lựa chọn lớ p điện môi

• Chọn tần số hoạt động (tần số cộng hưở ng)

• Tính chiều r ộng của anten vi dải hình chữ nhật

• Tính hằng số điện môi hiệu dụng

• Tính chiều dài hiện dụng của anten (có tính đến hiệu ứng đườ ng biên)

• Tính chiều dài thực tế của anten

• Tính kích thướ c mặt phẳng đất

• Phối hợ p tr ở kháng cho anten

• Tính tr ườ ng bức xạ, độ lợ i độ định hướ ng và hiệu suất bức xạ

Chươ ng trình đượ c thực hiên vớ i sự tr ợ giúp của phần mềm Matlab 7.0 và có lưu đồ

giải thuật như sau:



45

Hình 3.1 Lư u đồ giải thuật của chươ ng trình thiế t k ế và mô phỏng anten vi d ải



46

Chươ ng trình sẽ có giao diện như sau:

Hình 3.2 Giao di ện chươ ng trình thiế t k ế và mô phỏng anten vi d ải

Theo chươ ng trình chúng ta sẽ nhậ p vào các thông số sau cho quá trình thiết k ế và mô

phỏng:

• Tần số cộng hưở ng

• Tr ở kháng ngõ vào mong muốn

• Lớ p điện môi làm nền

• Phươ ng pháp phối hợ p tr ở kháng bằng đườ ng truyền vi dải (một phần tư bướ c

sóng hay inset-feed)





48

tạo các loại anten vi dải có cấu trúc phức tạ p. Một đặc tính cơ học khác là loại này r ất

cứng và giòn nên r ất khó gia công. Như vậy loại vật liệu này chỉ thích hợ p cho các loại

anten vi dải có cấu trúc đơ n giản và hoạt động ở dãy tần số thấ p.

• Vật liệu điện môi bán dẫn:

Thành phần chủ yếu trong loại vật này là các chất bán dẫn như Si hay GaAs. Loại vật

liệu này ít đượ c sử dụng do nó có kích thướ c quá nhỏ nên khó thực hiện các loại anten vi

dải hoạt động trong dải tần số viba. Loại vật liệu này chỉ thích hợ p cho các anten hoạt

động ở dải tần cao và tích hợ p nguyên khối.

• Vật liệu điện môi ferrit từ:

Loại vật liệu này ngày càng đượ c sử dụng phổ biến do có hằng số điện môi cao và suy

hao thấ p. Trong tự nhiên vật liệu ferrit không đẳng hướ ng nên tần số cộng hưở ng của

anten vi dải phụ thuộc vào phân cực từ tr ườ ng của vật liệu. Các anten vi dải sử dụng vật

liệu này có thể tăng băng thông lên đáng k ể bằng cách thay đổi phân cực từ trên vật liệu

ferrit mà không làm ảnh hưở ng đến đặc tính bức xạ của anten.

• Vật liệu điện môi nhân tạo

Đây là loại vật liệu có suy hao thấ p, hằng số điện môi thấ p phù hợ p để thiết k ế cácloại anten vi dải.Vật liệu này có nhiều loại như: PTEE (Teflon), Polystyrene, Polyolefin,

Polyphenylence… Tuy nhiên loại vật liệu này khá mềm dẻo và thay đổi theo nhiệt độ.

• Vật liệu điện môi hỗn hợ p

Hiện nay, loại vật liệu này đượ c dùng khá phổ biến trong thiết k ế anten vi dải. Vật

liệu này là sự k ết hợ p các đặc tính cơ điện của các loại vật liệu khác nhau để cho ra các

loại vật liệu hỗn hợ p có các đặ tính cơ điện như mong muốn.



49

Bảng 1 Các đặc tính của một số loại vật liệu đ iện môi

STT Tên vật liệu Hằng số

điện môi

Suy hao tiế p

tuyến (loss

tangent)

Độ ổn định

kích thướ c

Dãy nhiệt độ

(0C)

1 99,5 % Al2O3 9.8 0.0001 R ất tốt Đến 1600

2 Bán dẫn GaAs 12.9 0.0020 R ất tốt -55 đến 260

3 Ferrit 9 đến 16 0.0010 R ất tốt -24 đến 370

4 PTFE (Teflon) 2.1 0.0004 Xấu -27 đến 270

5 Polypropylene 2.18 0.0003 Xấu -27 đến 200

6 RT Duriod

5870

2.33 0.0012 R ất tốt

7 RT Duriod

5870

2.2 0.0009 R ất tốt

8 RT Duriod

6006

6.15 0.0019 R ất tốt

Trong thực tế, khi lựa chọn vật liệu điện môi làm lớ p nền cho anten vi dải ngườ i ta

thườ ng dựa vào các tiêu chí sau:

• Khả năng đối vớ i kích thích sóng bề mặt

• Ảnh hưở ng của sự phân tán hằng số điện môi trên lớ p nền

• Độ suy hao của lớ p đồng và hằng số điện môi

• Tính dị hướ ng trong lớ p nền



50

• Ảnh hưở ng của nhiệt độ, độ ẩm…

• Những yêu cầu cơ học: dễ gia công, dễ hàn, nhẹ, đàn hồi…

• Giá tiền

Trong đó, ba tiêu chí đầu tiên đặc biệt liên quan đến khoảng bướ c sóng mm (f > 30

GHz). Dựa vào các tiêu chí trên thì vật liệu điện môi hỗn hợ p có nhiều ưu điểm để dùng

làm lớ p nền cho anten vi dải. Trong thiết k ế anten vi dải có thể dùng các vật liệu hỗn hợ p

đượ c cho trong bảng 2:

Bảng 2 Các loại vật liệu đ iện môi thông d ụng dùng trong thiế t k ế anten vi d ải.

STT Tên vật liệu Hằng số điện

môi

Độ dày (mm) Suy hao tiế p

tuyến

1 RT/Duroid

5870

2.33 1.575 0.0012

2 RT/Duroid

5880

2.20 1.575 0.0090

3 RT/Duroid

6002

2.98 1.524 0.0012

4 RT/Duroid

6006

6.15 1.270 0.0027



51

3.3. LỰ A CHỌN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG (TẦN SỐ CỘNG HƯỞ NG)

Tần số cộng hưở ng có thể chọn tuỳ ý. Tuy nhiên, ta sẽ chọn tần số cộng hưở ng là

900 MHz, 1800 MHz để so sánh k ết quả bằng phươ ng pháp đườ ng truyền sóng và hốc

cộng hưở ng vớ i phươ ng pháp moment trong phần mềm thươ ng mại IE3D trong chươ ng

sau

3.4. TÍNH CHIỀU R ỘNG CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT

Chiều r ộng của anten vi dải hình chữ nhật có thể đượ c xác định theo công thức

(2.40):

2/1

2

1

2

−

⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛ += r

r f

cW

ε

Vớ i lớ p điện môi đượ c chọn trong bảng 2 và c = 2.9986 x 108 m/s thì chiều r ộng

của anten vi dải hình chữ nhật đượ c cho trong bảng 3:

Bảng 3 Chiề u r ộng của anten vi d ải hình chữ nhật

STT Hằng số điện

môi

Tần số cộng hưở ng

(GHz)

Chiều r ộng của anten

(cm)

1 2.33 1.8 6.45

2 2.2 1.8 6.58

3 2.98 0.9 11.81

4 6.15 0.9 8.81



52

3.5. TÍNH HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG

Hằng số điện môi hiệu dụng đượ c tính theo công thức (2.1) và (2.2):

• Nếu W/h > 1

2/1]121[2

1

2

1 −+−

++

=W

hr r reff

ε ε ε

• Nếu W/h < 1

])1(04.0)121[(2

1

2

1 22/1

h

W

W

hr r reff −++

−+

+= −ε ε

ε

Vớ i lớ p điện môi đượ c chọn và chiều r ộng của anten vi dải đượ c tính như trên thì

hằng số điện môi hiệu dụng tươ ng ứng đượ c tính trong bảng 4:

Bảng 4 H ằ ng số đ iện môi hiệu d ụng

STT Hằng số điện

môi

Chiều r ộng của anten

(cm)

Hằng số điện môi hiệu

dụng

1 2.33 6.12 1.70

2 2.2 6.24 1.63

3 2.98 5.59 2.04

4 6.15 4.17 2.05

3.6. TÍNH CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG CỦA ANTEN VI DẢI

Chiều dài hiệu dụng của anten vi dải hình chữ nhật (do ảnh hưở ng của hiệu ứng

đườ ng biên) đượ c cho trong công thức (2.38):

reff r reff r

eff f

c

f L

ε ε μ ε 22

1

00

==



53

Vớ i tần số cộng hưở ng là 1.9GHz và hằng số điện môi hiệu dụng đượ c tính như

trên thì chiều dài hiệu dụng của anten vi dải đượ c cho trong bảng 5:

Bảng 5 Chiề u dài của anten vi d ải

STT Hằng số điện môi

hiệu dụng

Tần số cộng hưở ng (GHz) Chiều dài hiệu dụng

(cm)

1 1.70 1.8 5.55

2 1.63 1.8 5.71

3 2.04 0.9 9.76

4 2.05 0.9 6.83

3.7. TÍNH CHIỀU DÀI PHẦN MỞ R ỘNG CỦA ANTEN VI DẢI

Phần mở r ộng chiều dài của anten vi dải hình chữ nhật đượ c xác định theo công

thức (2.34):

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ +−

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++

=Δ

813.0)258.0(

264.0)3.0(

412.0

h

W

h

W

h L

reff

reff

ε

ε

Vớ i lớ p điện môi đượ c chọn, chiều r ộng của anten và hằng số điện môi hiệu dụng

đượ c tính như trên thì phần mở r ộng chiều dài của anten vi dải đượ c tính trong bảng 6:



54

Bảng 6 Phần mở r ộng chiề u dài của anten vi d ải

STT Hằng số

điện môi

Chiều r ộng

của anten (cm)

Hằng số điện

môi hiệu dụng

Chiều dày của

lớ p điện môi

(cm)

Phần mở

r ộng chiều

dài (cm)

1 2.33 6.45 1.70 0.1575 0.082

2 2.2 6.58 1.63 0.1575 0.083

3 2.98 11.81 2.04 0.1524 0.075

4 6.15 8.81 2.05 0.1270 0.057

3.8. TÍNH CHIỀU DÀI THỰ C TẾ CỦA ANTEN VI DẢI

Chiều dài thực tế của anten vi dải hình chữ nhật có thể thu đượ c theo công thức

(2.39): L L L eff Δ−= 2

Vớ i chiều dài hiệu dụng và phần mở r ộng theo chiều dài của anten đượ c tính như

trên thì chiều dài thực tế của anten vi dải đượ c tính trong bảng 7:

Bảng 7 Chiề u dài của anten vi d ải

STT Chiều dài hiệu

dụng (cm)

Phần mở r ộng

chiều dài (cm)

Chiều dài thực

tế (cm)

1 5.55 0.082 5.39

2 5.71 0.083 5.54

3 9.76 0.075 9.61

4 6.83 0.057 6.71



55

3.9. TÍNH KÍCH THƯỚ C CỦA MẶT PHẲNG ĐẤT

Mô hình đườ ng truyền sóng chỉ có thể áp dụng đối vớ i mặt phẳng đất là vô hạn.

Tuy nhiên, thực tế anten vi dải hình chữ nhật có một mặt phẳng đất giớ i hạn. Kích thướ c

của mặt phẳng đất này lớ n hơ n kích thướ c của bản kim loại sắ p sỉ 6 lần độ dày của lớ pđiện môi nền. Do đó, kích thướ c mặt phẳng đất đượ c cho bở i:

Lg = 6h + L (3.1)

Wg = 6h + W (3.2)

Vớ i sự lựa chọn lớ p điện môi và kích thướ c của anten vi dải hình chữ nhật (bản kim loại)

đượ c tính như trên thì kích thướ c của mặt phẳng đất đượ c cho trong bảng sau:

Bảng 8 Kích thướ c của mặt phẳ ng đấ t

STT Độ dày lớ p điện

môi (cm)

Chiều dài

anten (cm)

Chiều r ộng

anten (cm)

Chiều dài mặt

phẳng đất (cm)

Chiều r ộng mặt

phẳng đất (cm)

1 0.1575 5.39 6.45 6.33 7.40

2 0.1575 5.54 6.58 6.49 7.53

3 0.1524 9.61 11.81 10.52 12.72

4 0.1270 6.71 8.81 7.47 9.572

3.10. PHỐI HỢ P TR Ở KHÁNG CHO ANTEN VI DẢI

Anten vi dải phải đượ c phối hợ p vớ i tr ở kháng ngõ vào để giảm thiểu sự phản xạ

và để có đượ c công suất bức xạ cực đại. Anten vi dải hình chữ nhật đượ c thiết k ế vớ i k ỹ

thuật cấ p nguồn bằng đườ ng truyền vi dải. K ỹ thuật này có ưu điểm là có thể tích hợ p

anten và đườ ng cấ p nguồn trên một bản mạch in. Do đó, tr ở kháng ngõ vào của anten vi

dải phải đượ c phối hợ p vớ i tr ở kháng của đườ ng truyền dẫn tín hiệu thông thườ ng là

50Ω . Vớ i k ỹ thuật tiế p điện bằng đườ ng truyền vi dải, có ba phươ ng pháp dùng để phối



56

hợ p tr ở kháng của anten vớ i nguồn là sử dụng đườ ng truyền vi dải có chiều dài 4/λ

(Quarter-wave transfomer-biến thế một phần tư bướ c sóng), dịch chuyển vị trí của đườ ng

cấ p tín hiệu lệch đi so vớ i điểm trung tâm của anten (Offset-feed line) và cắt sâu vào

anten một khoảng (Inset-feed line).

3.10.1. PHỐI HỢ P TR Ở KHÁNG BẰNG ĐƯỜ NG TRUYỀN VI DẢI DÀI 4/λ

Để phối hợ p tr ở kháng cho anten vi dải có thể dùng đườ ng truyền vi dải dài 4/λ

như trong hình 3.3

Hình 3.3 Anten vi d ải vớ i đườ ng cấ p nguồn 4/λ Tổng tr ở ngõ vào k ết hợ p của đườ ng truyền vi dải và anten vi dải đượ c xác định

dựa vào mô hình đườ ng truyền sóng như sau:

T inT

T T in

T Al jZ Z

l jZ Z Z Z

00

00

0tan

tan

β

β

+

+= (3.34)

Trong đó: ZA là tổng tr ở ngõ vào k ết hợ p

Zin là tổng tr ở đặc tr ưng của anten vi dải

Z0T là tổng tr ở đặc tr ưng của đườ ng truyền vi dải

Khi đườ ng truyền vi dải dài 4/λ ta có:

24

20

π λ

λ

π β ==

T l (3.35)

Khi đó tổng tr ở ngõ vào k ết hợ p tr ở thành:



57

in

T A

Z

Z Z

2

0= (3.36)

Để phối hợ p tr ở kháng vớ i anten, tức là không có sóng phản xạ trên đườ ng truyền

00

0 =+

−=Γ A

A

Z Z

Z Z hay A Z Z =0 (3.37)

Như vậy tổng tr ở đặc tr ưng của đườ ng truyền vi dải đượ c tính như sau:

inT Z Z Z 00 = (3.38)

Dựa vào công thức tính tổng tr ở của đườ ng truyền vi dải ta sẽ xác định đượ c độ r ộng của

đườ ng truyền vi dải và đượ c cho trong bảng 9

Bảng 9 Độ r ộng đườ ng truyề n vi d ải 4/λ

STT Tần số cộng

hưở ng

(GHz)

Hằng số

điện môi

Tổng tr ở

đặc tr ưng

(Ω )

Chiều dài đườ ng

truyền 4/λ (cm)

Chiều r ộng

đườ ng truyền

4/λ (cm)

1 1.8 2.33 248.9 2.975 0.103

2 1.8 2.2 245.7 3.045 0.111

3 0.9 2.98 269.6 5.376 0.070

4 0.9 6.15 395.2 3.961 0.010

3.10.3. PHỐI HỢ P TR Ở KHÁNG BẰNG ĐẶT LỆCH ĐƯỜ NG TRUYỀN VI DẢI

Điểm nối giữa đườ ng truyền vi dải và anten vi dải có thể đượ c mô hình hoá bằng

một điện dẫn G và một một điện dung jB như trong hình 3.6



58

Hình 3.4 Anten vi d ải vớ i đườ ng cấ p nguồn đặt l ệch khỏi đ iể m giữ a

Tr ở kháng ngõ vào ở khoảng lệch z là:

1

0

2

2

0

222 )2sin()(sin)(cos2)(

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

++= z

Y

B z

Y

BG z G z Y β β β (3.39)

Trong đó:

r RG

1=

24

)(

1

120

0

0

hk Rr

−

= λ

0

0

Z

l k B

eε Δ=

0

2

λ

ε π β

e=

Vớ i anten đượ c thiết k ế như trên và tổng tr ở đặc tr ưng của đườ ng truyền vi dải là

50Ω thì khoảng lệch z đượ c cho trong bảng 10:



59

Bảng 10 Khoảng độ l ệch z của đườ ng truyề n vi d ải so vớ i anten

STT Hằng số điện môi Tổng tr ở đặc tr ưng của anten (Ω ) Độ lệch z (cm)

1 2.33 248.9 0.31

2 2.2 245.7 0.32

3 2.98 269.6 0.29

4 6.15 395.2 0.18

3.10.4. PHỐI HỢ P TR Ở KHÁNG BẰNG INSET-FEED

Ngoài hai phươ ng pháp phối hợ p tr ở kháng trên còn một phươ ng pháp phối hợ p

tr ở kháng khác là khét một rãnh trên anten vi dải như trên hình 3.5

y0

Hình 3.5 Anten vi d ải vớ i k ỹ thuật cấ p nguồn inset-feed

Công thức tính tổng tr ở đặc tr ưng của anten đượ c cho (2.64) như sau:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

++

+== )

2sin()(sin)(cos

)(2

1)( 0

0

10

2

2

0

2

1

2

10

2

121

0 y LY

B y

LY

BG y

LGG y y Rin

π π π

Trong đó:0

0

1

Z Y =

Đối vớ i hầu hết các loại anten vi dải thì 10

1 <<Y

G và 1

0

1 <<Y

B nên công thức tính

tổng tr ở đặc tr ưng của anten đượ c viết lại như sau:



60

)(cos)0()(cos)(2

1)( 0

2

0

2

121

0 y L

y R y LGG

y y R inin

π π ==

+== (3.41)

Vớ i y0 là vị trí của điểm tiế p điện tươ ng ứng để anten có tổng tr ở ngõ vào là R in.

Từ các công thức trên ta có thể thiết k ế anten có tr ở kháng ngõ vào bằng tr ở kháng

đặc tr ưng của đườ ng truyền. Vớ i các thông số của anten đã đượ c thiết k ế như trên và tr ở

kháng đườ ng truyền là 50Ω thì vị trí của điểm tiế p điện tươ ng ứng đượ c cho trong bảng

11:

Bảng 11 V ị trí của inset-feed

STT Tần số cộng hưở ng

(GHz)

Hằng số

điện môi

Tổng tr ở đặc

tr ưng (Ω )

Vị trí của inset-feed

(cm)

1 1.8 2.33 248.95 1.90

2 1.8 2.2 245.73 1.95

3 0.9 2.98 268.77 3.44

4 0.9 6.15 395.09 2.58

3.11. CÁC THÔNG SỐ KHÁC

Khi thiết k ế anten vi dải, ngoài các thông số vật lý của anten chúng ta cũng cần

ướ c lượ ng tr ướ c một số thông số khác như: đồ thị bức xạ, độ lợ i, hướ ng tính, hiệu xuất

bức xạ của anten...

3.11.1 ĐỒ THỊ BỨ C XẠ

Đồ thị bức xạ của anten đượ c xác định bằng hàm bức xạ trong mặt phẳng E và

hàm bức xạ trong mặt phẳng H (2.101) và (2.102) như sau:

Hàm bức xạ trong mặt phẳng E (mặt phẳng x-z, )000 1800,0 ≤≤= θ φ



61

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛

= θ

θ

θ

θ cos2

cos

sin2

sin2

sin

)(eff

E

kL

kh

kh

f

Hình 3.6 M ẫ u bứ c xạ trong mặt phẳ ng E (anten có t ần số cộng hưở ng 900MHz)

Hình 3.7 M ẫ u bứ c xạ trong mặt phẳ ng E (anten có t ần số cộng hưở ng 1800MHz)

H àm bức xạ trong mặt phẳng H (mặt phẳng x-y, và )000 900,90 ≤≤= φ θ 00 360270 ≤≤φ

φ

φ

φ

φ

φ θ

sin2

sin2

sin

sin2

sin2

sin

cos)(kW

kW

kh

kh

f H

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛

=



62

Hình 3.8 M ẫ u bứ c xạ trong mặt phẳ ng H (anten có t ần số cộng hưở ng 900MHz)

Hình 3.9 M ẫ u bứ c xạ trong mặt phẳ ng H (anten có t ần số cộng hưở ng 1800MHz)

3.11.2. HIỆU XUẤT BỨ C XẠ, ĐỘ ĐỊNH HƯỚ NG VÀ ĐỘ LỢ I

Độ định hướ ng của anten vi dải (2.109):

2

02

2

0

215

22⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

λ

π

λ

π W

G I

W D

rad

Hiệu xuất bức xạ của anten vi dải (2.124):



63

sur r

r r

P P

pe

+=

Độ lợ i (2.127):

DeG r =

Dựa vào anten đượ c thiết k ế độ lợ i, độ định hướ ng và hiệu xuất bức xạ của anten

vi dải đượ c cho trong bảng 12:

Bảng 12 Độ định hướ ng, độ l ợ i và hiệu suấ t của anten

STT Hằng số điện môi Độ định hướ ng (dB) Độ lợ i (dB) Hiệu xuất bức xạ (%)

1 2.33 7.05 3.11 96.12

2 2.2 7.17 3.14 96.51

3 2.98 6.56 3.33 97.28

4 6.15 5.66 3.03 96.23

Documents

thiết kế anten