Luận văn Nghiên cứu tính chất bức xạ điện từ các Anten có cấu trúc vi dải

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tính chất bức xạ điện từ các Anten có cấu trúc vi dải

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Quốc Tự Kiều NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Quốc Tự Kiều NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN Hà Nội - 2017
3. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn này. Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến, các thầy, các cô trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội. Cảm ơn các thầy, các cô đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như tại bộ môn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân cùng các bạn trong bộ môn, các bạn cùng làm thực hành tại bộ môn những người đã giúp đỡ, chia sẻ và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Trần Quốc Tự Kiều
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7 Chƣơng 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ....................................................... 9 1.1. Giới thiệu chung về anten ................................................................................. 9 1.2. Hệ phƣơng trình Maxwell và nghiệm ............................................................ 11 1.3. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten ...................................... 13 1.4. Các thông số đặc trƣng của anten ................................................................... 13 1.4.1. Hàm tính hướng ....................................................................................... 13 1.4.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng ............................................. 14 1.4.3. Giản đồ bức xạ ......................................................................................... 16 1.4.4. Trở kháng vào của anten .......................................................................... 19 1.4.5. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích ......................................................... 20 1.4.6. Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ ......................................... 21 1.4.7. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ........................................... 23 1.4.8. Hiệu suất của anten .................................................................................. 23 1.4.9. Tính phân cực của anten .......................................................................... 24 Chƣơng 2. ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MẢNG VI DẢI ...................................... 26 2.1. Giới thiệu chung về anten vi dải ..................................................................... 26 2.1.1. Định nghĩa về anten vi dải ....................................................................... 26 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của anten vi dải ...................................................... 27 2.1.3. Ưu và nhược điểm của anten vi dải ......................................................... 28 2.1.4. Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải .................................................... 29 2.1.5. Trường bức xạ của anten vi dải ............................................................... 29 2.1.6. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải ................................................... 30 2.1.7. Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải .................................................... 31 2.2. Anten mảng vi dải .......................................................................................... 34 2.2.1. Định nghĩa anten mảng vi dải .................................................................. 34 2.2.2. Hệ thống tiếp điện của mảng anten vi dải ............................................... 35 1
5. Chƣơng 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIÊU CAO TẦN ADS VÀ MATLAB .................................................................................................................. 40 3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ADS (Advanced Design System) ............... 40 3.2. Các thông số cần thiết trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải và mảng anten vi dải ...................................................................................................................... 40 3.2.1. Chiều rộng patch ...................................................................................... 41 3.2.2. Chất nền ................................................................................................... 41 3.2.3. Kỹ thuật tiếp điện ..................................................................................... 42 3.2.4. Điện dẫn ................................................................................................... 43 3.2.5. Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng ...................................................... 45 3.3. Thiết kế và mô phỏng anten vi dải sử dụng phần mềm mô phỏng ADS và Matlab .................................................................................................................... 47 3.3.1. Mô phỏng anten đơn ................................................................................ 48 3.3.2. Mô phỏng mảng anten .............................................................................. 49 3.3.3. Kiểm tra các thông số của anten vi dải .................................................... 50 3.3.4. Kiểm tra các thông số quan trọng của mảng an ten vi dải ...................... 52 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 58 2
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số anten thiết kế ...................................................................... 40 Bảng 3.2: Các thông số sau tính toán của anten vi dải ............................................. 47 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ rộng khe (Gpf) .................. 50 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ dày lớp điện môi (h) ......... 51 Bảng 3.5: Thông số hệ số phản xạ theo tần số của anten vi dải và mảng anten vi dải .......................................................................................................................... 53 Bảng 3.6: Độ lợi và độ định hƣớng của anten đơn và mảng anten ........................... 56 3
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Anten - thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ ........................................ 9 Hình 1.2: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ vuông góc ..................................... 15 Hình 1.3: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ cực ................................................ 15 Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng ............................................................ 16 Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten .......................................................... 16 Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vô hƣớng của một anten .................................................. 17 Hình 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa .......... 17 Hình 1.8: Các búp sóng của anten bức xạ hƣớng tính .............................................. 18 Hình 1.9: Sự quay của vector điện trƣờng ................................................................ 24 Hình 1.10: Các loại phân cực .................................................................................... 25 Hình 2.1: Cấu tạo anten vi dải .................................................................................. 26 Hình 2.2: Trƣờng bức xạ E và H của anten vi dải .................................................... 27 Hình 2.3: Điện trƣờng của anten vi dải nhìn từ trên xuống ...................................... 30 Hình 2.4: Điện trƣờng của anten nhìn ngang ............................................................ 30 Hình 2.5: Các dạng anten vi dải thông dụng............................................................. 30 Hình 2.6: Cấp nguồn dùng đƣờng truyền vi dải ....................................................... 32 Hình 2.7: Cấp nguồn dùng cáp đồng trục ................................................................. 33 Hình 2.8: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép khe - Aperture coupled ................... 33 Hình 2.9: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép gần - Proximity Coupled ................ 34 Hình 2.10: Dàn anten 4 phần tử ................................................................................ 35 Hình 2.11: Phối hợp trở kháng bằng đoạn phần tƣ bƣớc sóng ................................. 35 Hình 2.12: Mảng anten tiếp điện nối tiếp 8 phần tử ................................................. 37 Hình 2.13: Cấu trúc mảng anten tiếp điện song song 8 phần tử ............................... 38 Hình 2.14: Hệ thống tiếp điện song song 2 chiều ..................................................... 39 Hình 3.1: Lƣu đồ tính toán thông số ......................................................................... 41 Hình 3.2: Tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải .......................................................... 43 Hình 3.3: Patch chữ nhật và mạch tƣơng đƣơng trong mô hình đƣờng truyền ........ 44 Hình 3.4: Patch hình chữ nhật................................................................................... 46 4
8. Hình 3.5: Khởi tạo các giá trị ban đầu .............................................................................. 48 Hình 3.6: Tạo file lƣu trữ thông số của chất nền và thiết lập độ dày cho chất nền ........ 48 Hình 3.7: Thiết lập dải tần số hoạt động của anten .......................................................... 49 Hình 3.8: Tạo file chứa anten vi dải .................................................................................. 49 Hình 3.9: Tạo đƣờng truyền cho mảng anten vi dải ......................................................... 50 Hình 3.10: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ rộng khe .................. 51 Hình 3.11: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ dày lớp điện môi ..... 52 Hình 3.12: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của anten vi dải ....... 52 Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của mảng anten vi dải .................................................................................................................................... 53 Hình 3.14: Đồ thị dải băng thông của thiết kế anten vi dải ............................................. 54 Hình 3.15: Đồ thị dải băng thông của thiết kế mảng anten vi dải ................................... 54 Hình 3.16: Đồ thị bức xạ của anten vi dải ........................................................................ 55 Hình 3.17: Đồ thị bức xạ của anten mảng vi dải .............................................................. 55 Hình 3.18: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của anten vi dải ........................ 56 Hình 3.19: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của mảng anten vi dải .............. 56 5
9. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TÊN TỪ VIẾT TẮT Ý NGHĨA DCS Digital Communication System PCS Personal Communication System UMTS Universal Mobile Telecommunication System WLAN Wireless Local Area Network ADS Advanced Design System RF Radio Frequency EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power - Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng CW Clockwise CCW Counterclockwise MTA Microstrip Traveling-Wave Antennas 6
10. MỞ ĐẦU Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, bên cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten nhƣ độ bền, trọng lƣợng anten phải nhẹ, kích thƣớc anten phải nhỏ gọn cũng là mối quan tâm hàng đầu. Các anten phẳng, chẳng hạn nhƣ anten vi dải (microstrip antenna) có các ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point hay các thiết bị di động. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng 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 đƣợc thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào, 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 đƣợc phát triển và xuất bản trong nhiều tài liệu liên quan [7]. 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 thƣờng là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thƣớc và mở rộng băng thông đang là xu hƣớng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu đƣờng truyền vi dải có đƣờng dây dẫn vào bằng phần mềm mô phỏng siêu cao tần ADS (Advanced Design System) và Matlab nhằm làm rõ những đặc trƣng cơ bản nhƣ đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng của anten vi dải. Luận văn đƣợc trình bày thành ba chƣơng. Chƣơng 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về anten: giới thiệu chung, các đặc tính, thông số đặc trƣng của anten 7