I.
Tổng quan về anten
1. GT chương
1.1 Khái niệm anten
Anten là thiết bị bức xạ sóng điện từ ra không gian và thu nhận sóng điện từ từ
không gian bên ngoài. Tổng quát, anten là hệ thống cho phép truyền và nhận năng
lượng điện từ, anten có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng
lượng điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền
dẫn tập trung nào như cáp đồng, ống dẫn sóng hay sợi quang. Anten được sử dụng
trong liên lạc vô tuyến đối với khoảng cách xa, tần số cao thì sử dụng ăng-ten
truyền và nhận thích hợp hơn và ít tốn kém hơn nhiều so với sử dụng đường
truyền. (843 trang)
-
Ăng ten phát là một ăng ten chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng điện từ
và bức xạ chúng.
Ăng ten thu là một ăng ten chuyển đổi sóng điện từ từ chùm tia thu
được thành tín hiệu điện.
Chức năng của anten:
-
Bức xạ tín hiệu RF từ máy phát dưới dạng sóng vô tuyến và ngược lại.
Hướng năng lượng bức xạ theo một hay nhiều hướng mong muốn.
Khi kết nối với máy phát, nó gửi thẳng, hoặc phát xạ sóng RF đi theo
mô hình cụ thể cho từng loại ăng-ten.
Khi kết nối với máy thu, anten lấy sóng RF mà nó nhận được và gửi tín
hiệu đến máy thu.
Nguyên lý hoạt động của anten
Anten chuyển đổi năng lượng điện sang sóng vô tuyến đối với anten
phát.
- Chuyển đổi sóng vô tuyến sang năng lượng điện đối với anten thu.
- Kích thước, hình dạng, vật liệu.. của anten liên quan trực tiếp đến tần số
mà anten có thể thu hay phát sóng. (https://doluongtudong.com/antenla-gi-nhung-loai-anten-co-ban/)
1.2 Cac loai anten
-
Các loại anten: Anten có thể được chia thành bốn loại cơ bản theo các đặc tính
hiệu suất chính của chúng.
1.2.1 Anten dây.
Anten dây khá quen thuộc vì chúng có ở nhiều nơi như trên xe ô tô, trong tòa nhà, tàu,
máy bay,... Các cấu hình khác nhau của anten dây như lưỡng cực (dipole), vòng tròn hoặc
vuông (circular (square) loop), xoắn (helix) như trong hình 2.3. Anten vòng không phải
chỉ có dạng tròn (là dạng phổ biến nhất vì sự đơn giản khi thiết lập), nó có thể có dạng
của một hình chữ nhật, hình vuông, hình elip hoặc bất kỳ cấu hình khác.
Hình: các cấu hình của anten dây
1.2.2 Anten miệng.
Anten miệng trở nên quen thuộc hơn so với trước đây do nhu cầu ngày càng tăng cho các
hình thức tinh vi hơn của anten và việc sử dụng tần số cao hơn. Loại anten này được ứng
dụng rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ vì chúng có thể rất thuận tiện trong việc gắn
vào vỏ của máy bay hoặc tàu vũ trụ. Ngoài ra, chúng có thể được bọc bằng vật liệu điện
môi để được bảo vệ khỏi điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Cấu hình các loại anten
miệng như trong hình 2.4 như: loa kim tự tháp (pyramidal horn), loa nón (conical horn)
và ống dẫn sóng hình chữ nhật (rectangular waveguide).
Hình 2. 4. Các cấu hình của anten miệng[8]
1.2.3 Anten vi dải.
Anten vi dải bao gồm một miếng (patch) kim loại trên bề mặt đất. Các patch kim loại có
thể có nhiều cấu hình khác nhau: hình vuông (square), hình chữ nhật (rectangular), hình
tròn (circular), hình elip (elliptical), hình tam giác (triangular), hình quạt (disc sector),
hình vòng ring tròn (circular ring), hình một phần của vòng ring tròn (ring sector) như
trong hình 2.5. Tuy nhiên, các miếng hình chữ nhật và hình tròn như trong hình 2.6 là
phổ biến nhất vì các đặc tính bức xạ tốt, dễ phân tích và chế tạo. Các anten vi dải phù hợp
cho các bề mặt phẳng và không phẳng, đơn giản và giá thành thấp để chế tạo, sử dụng
công nghệ mạch in hiện đại khi gắn vào bề mặt cứng, tương thích với các thiết kế vi
mạch cao tần đơn khối và rất linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực sóng, phối hợp trở
kháng. Các anten này có thể được gắn trên bề mặt của máy bay cho hiệu suất cao hay trên
tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa, xe hơi, thậm chí là điện thoại di động cầm tay.
Hình 2. 1.Các hình dạng patch của phần tử vi dải[8]
Ăng ten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng bức xạ
nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt phẳng nối đất là chất dẫn
điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi. Miếng bức xạ có chiều
rộng là W và chiều dài là L. Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng,
độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe/2 (λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét trong môi
trường tấm điện môi). Hình 2.1 mô tả một ăng ten vi dải có tấm bức xạ hình chữ
nhật và tiếp điện bằng đường vi dải.
Hình 2.1. Ăng ten vi dải hình chữ nhật
Các ăng ten vi dải được phân loại theo hình dạng và vị trí đặt các tấm bức
xạ vi dải, có thể được quy về 4 dạng chính:
- Ăng ten vi dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna): tấm bức xạ của
ăng ten có thể có nhiều hình dạng khác nhau.
- Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), các tấm bức xạ
được đặt đối xứng ở cả 2 phía (mặt) của tấm điện môi.Trang 14
- Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): các khe hẹp được tích hợp
trên bề mặt tấm bức xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân bố dòng
điện.
- Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) tấm
bức xạ là các dải có dạng sóng, xoáy trôn ốc…
Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với các ăng ten vi sóng truyền
thống như: kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay; giá
thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in; dễ dàng tích
hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm điện môi; tính linh
động cao: sự thay đổi về hình dạng của tấm bức xạ, kích thước, chất liệu điện
môi…cho phép thay đổi các đặc tính đặc trưng của ăng ten như tần số cộng
hưởng, sự phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông…; khả năng tạo ra phân
cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện,
hình dạng của ăng ten và các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể
chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng ten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế: băng hẹp; hiệu suất
bức xạ thấp; công suất nhỏ; chỉ bức xạ trong một nửa không gian trên mặt phẳng
đất; khó có thể đạt được sự phân cực thuần và sự bức xạ do các mối nối và tiếp
điện.
1.3 Các thông số cơ bản của anten
1.3.1 Mật độ công suất bức xạ
Công suất bức xạ của anten có thể được tính bằng cách lấy tích phân của vectơ Poynting trên
khe bức xạ[9]:
1
⃑⃑⃑⃑
⃑ )𝑑𝑆
Pr = 𝑅𝑒 ∬𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒(𝐸⃑ × 𝐻
2
Đối với anten vi dải, trường điện bên trong miếng patch thì vuông
góc với miếng dẫn và mặt phẳng đất và trường từ thì song song với cạnh
của anten. Ngoài ra, ta có thể tính toán công suất bức xạ từ đồ thị bức xạ
theo phương trình sau[9]:
2
Pr = 2𝜂1 (|𝐸𝜃 |2 + |𝐸𝜙 | ) 𝑟 2 𝑠𝑖𝑛 𝑑𝜃𝑑𝜙
𝑜
(1.2)
(1.1)
1.3.2 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 các đặc tính định hướng của anten.
Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm
toán học hay sự thể hiện các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của
các tọa độ không gian”. Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ
được xét ở trường xa. Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ
trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí
quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi. Hệ
tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 2.9.
Hình 2. 2. Hệ thống tọa độ phân tích anten [8]
Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D.
Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị
đặc biệt của φ, và giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ
là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết.
1.3.3 Cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ trong một hướng cho trước được định nghĩa là:
công suất được bức xạ từ anten trên mỗi đơn vị góc khối. Cường độ bức
xạ là một thông số thu được từ mật độ bức xạ, và nó là tích mật độ bức
xạ với bình phương khoảng cách[9]:
𝑈 = 𝑟 2 𝑊𝑟𝑎𝑑
(1.3)
Trong đó:
U : Cường độ bức xạ (W/góc khối)
Wrad : Mật độ bức xạ (W/m2)
1.3.4 Độ rộng búp sóng
Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn
gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính (Major lobe),
thùy phụ (Minor lobe), thùy bên (Side lobe) và thùy sau (Back lobe).
Hình 2.10 minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức
xạ.[9]
Hình 2. 3.Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten
Độ rộng búp sóng được lấy theo giá trị góc của búp sóng chính
theo một trong hai (hoặc cả hai) mặt cắt đứng hoặc ngang. Một vài khái
niệm về độ rộng búp sóng, bao gồm độ rộng nửa công suất hoặc 3 dB
(HPBW), độ rộng 10 dB, và độ rộng điểm
không đầu tiên (FNBW). Độ rộng búp sóng 3dB là góc lớn nhất mà độ
lợi ở đó thấp hơn tăng ích cực đại 3dB hay tại các điểm có công suất
bức xạ giảm một nửa so với
công suất bức xạ cực đại. Độ rộng búp nửa công suất được dùng phổ
biến nhất.[9]
Hình 2. 4. Độ rộng búp sóng
1.3.5 Độ định hướng
Độ định hướng của một anten là tỷ lệ của cường độ bức xạ tại
một hướng cho trước với cường độ bức xạ trung bình tại tất cả các
hướng của anten đó. Cường độ bức xạ trung bình bằng tổng công suất
được bức xạ của anten chia cho 4π. Nếu không xác
định được hướng thì hướng của anten chính là hướng có cường độ bức
xạ lớn nhất.
Cụ thể, độ định hướng được tính toán bởi công thức sau[9]:
𝐷=
𝑈
4𝜋𝑈
=
𝑈𝑜 𝑃𝑟𝑎𝑑
(1.4)
Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau[9]:
𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐷𝑜 =
Trong đó:
D : Độ định hướng
𝑈𝑚𝑎𝑥 4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥
=
𝑈𝑜
𝑃𝑟𝑎𝑑
(1.5)
Do: Độ định hướng cực đại
U : Cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)
Umax : Cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc khối)
Uo: Cường độ bức xạ nguồn đẳng hướng.
Prad : Tổng công suất bức xạ (W)
Với nguồn đẳng hướng, từ (1.4) hay (1.5) ta nhận thấy rằng hướng tính
bằng 1 khi U, Umax và Uo bằng nhau.
1.3.6 Hiệu suất của anten
Bên cạnh những thông số trên, chúng ta còn có thể tính được
tổng hiệu suất của anten, tỷ số sóng đứng (VSWR) hoặc hệ số suy hao
(RL) của anten.
Tổng hiệu suất của anten được tính bằng công thức[9]:
𝑒0 = 𝑒𝑟 𝑒𝑐 𝑒𝑑
(1.6)
Trong đó e0: tổng hiệu suất
2
𝑒𝑟 : hiệu suất phản xạ (𝑒𝑟 = 1 − |𝛤| )
𝑒𝑐 : hiệu suất dẫn
𝑒𝑑 : hiệu suất chất điện môi
Г : Hệ số hiệu suất phản xạ đầu vào
Hiệu suất búp sóng là hiệu suất của anten thể hiện chất lượng
của anten phát và anten thu. Nó còn là tỷ lệ giữa công suất phát (hoặc
thu) trong một góc cố định và tổng công suất phát (hoặc thu) của cả
anten. Nói chung, búp sóng chính là búp có công suất lớn, vì thế hiệu
suất của búp còn được tính bởi tỷ lệ giữa công suất của búp chính và
tổng công suất có được của anten.
Hệ số sóng đứng điện áp được xác định bởi tỷ số độ lớn giữa
điện áp cực đại và cực tiểu trên đường truyền[9]:
𝑉𝑆𝑊𝑅(𝑙) =
|𝑉|𝑚𝑎𝑥 |𝑉+ | + |𝑉− |
=
|𝑉|𝑚𝑖𝑛 |𝑉+ | − |𝑉− |
1 + |𝛤(𝑙)|
=
1 − |𝛤(𝑙)|
(1.7)
1.3.7 Độ lợi
Độ lợi thu và phát của anten là khả năng đưa ra năng lượng điện
trường theo một hướng xác định hoặc thu năng lượng từ một hướng xác
định. Đối với các hệ thống trực xạ yêu cầu anten phát chỉ phát năng
lượng về một hướng duy nhất, là hướng của anten cần thu.
Độ lợi của anten là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ tại một hướng cho
trước với cường bộ bức xạ được phát ra từ một anten lý tưởng (vô
hướng), với cùng một công suất đưa vào. Độ lợi anten chủ yếu phụ
thuộc vào tần số làm việc và đường kính của nó.
Độ lợi của anten là một thông số biểu thị cho đặc tính bức xạ của
anten so với hệ số định hướng. Vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc
tính của anten mà còn biểu thị sự tổn hao công suất trên anten. Độ lợi
của anten có thể được tính bằng công thức sau đây[9]:
𝐺 = 4𝜋
𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦
𝑈(𝜃, 𝜙)
= 4𝜋
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 (𝑎𝑐𝑐𝑒𝑝𝑡𝑒𝑑)𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟
𝑃𝑖𝑛
(1.8)
Bên cạnh đó, tổng công suất bức xạ (Prad) lại liên hệ với tổng
công suất đầu
vào của anten 𝑃𝑖𝑛 bởi công thức[9]:
𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝑒𝑐𝑑 𝑃𝑖𝑛
(1.9)
Trong đó: 𝑒𝑐𝑑 là hiệu suất bức xạ của anten, là tỉ lệ giữa công
suất bức xạ và công suất đầu vào. Vì vậy công thức tính độ lợi được viết
lại như sau:
𝐺(𝜃, 𝜙) = 𝑒𝑐𝑑 [4𝜋
𝑈(𝜃, 𝜙)
]
𝑃𝑟𝑎𝑑
𝐺(𝜃, 𝜙) = 𝑒𝑐𝑑 𝐷(𝜃, 𝜙)
(1.10)
(1.11)
Như vậy, độ lợi và độ định hướng liên hệ với nhau qua hiệu suất
bức xạ của anten.
1.3.8 Trở kháng vào
Trở kháng vào là trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó hoặc
là
tỉ
số
điện
áp so với dòng điện tại đầu vào hoặc tỉ số của các thành phần tương ứng
của
điện
trường so với từ trường tại một điểm, xác định trở kháng của anten như
sau[9]:
𝑍𝐴 = 𝑅𝐴 + 𝑗𝑋𝐴
(1.12)
𝑅𝐴 = 𝑅𝑅 + 𝑅𝐿
(1.13)
Trong đó:
 𝑍𝐴 là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω)
 𝑅𝐴 là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω)
 𝑋𝐴 là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω)
 𝑅𝑅 là điện trở bức xạ của anten
 RL là điện trở tải của anten
Trở kháng vào của một anten nói chung là một hàm của tần số.
Do đó, anten chỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng
một dải tần nào đó. Thêm nữa, trở kháng vào của anten phụ thuộc vào
các yếu tố như: hình dạng của anten, phương pháp tiếp điện cho anten
và ảnh hưởng của các đối tượng bao quanh nó. Do sự phức tạp của
chúng, chỉ một vài anten thực tế được nghiên cứu và phân tích. Với các
loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm.
1.3.9 Băng thông
Băng thông là khoảng tần số mà ở đó các thông số của anten
(chẳng hạn như trở
kháng vào, mô hình bức xạ, độ rộng chùm…) đạt giá trị có thể chấp
nhận được.
𝑓𝑚𝑎𝑥
(1.14)
𝐵𝑊 =
𝑓𝑚𝑖𝑛
Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn bằng
tỉ số của tần số
cực đại (fmax) và tần số cực tiểu (fmin) khi anten hoạt động với các đặc
tính có thể chấp nhận được. Ví dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số
cực đại lớn gấp 10 lần tần số cực tiểu.
𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝑓𝑚𝑖𝑛
(1.15)
𝐵𝑊 =
𝑓𝑜
Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm
của sự sai
khác tần số (tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng
thông. Ví dụ,
băng thông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm
của băng thông[9].
II anten vi dai
1. Anten patch
2. Khái niệm về ăng ten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu
tiên được đề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20
năm sau người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế. Những anten vi dải thực
tế đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson. Từ sau đó các nghiên cứu và
phát triển mở rộng của các anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi thế của
chúng như là kích thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp .v.v,
đã làm đa dạng hóa các ứng dụng của chúng.
3. Ăng ten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng bức xạ
nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt phẳng nối đất là chất dẫn
điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi. Miếng bức xạ có chiều
rộng là W và chiều dài là L. Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng,
độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe/2 (λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét trong môi
trường tấm điện môi). Hình 2.1 mô tả một ăng ten vi dải có tấm bức xạ hình chữ
nhật và tiếp điện bằng đường vi dải.
4.
5. Các ăng ten vi dải được phân loại theo hình dạng và vị trí đặt các tấm bức
xạ vi dải, có thể được quy về 4 dạng chính:
- Ăng ten vi dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna): tấm bức xạ của
ăng ten có thể có nhiều hình dạng khác nhau.
- Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), các tấm bức xạ
được đặt đối xứng ở cả 2 phía (mặt) của tấm điện môi.
Trang 14
- Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): các khe hẹp được tích hợp
trên bề mặt tấm bức xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân bố dòng
điện.
- Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) tấm
bức xạ là các dải có dạng sóng, xoáy trôn ốc…
6. Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với các ăng ten vi sóng truyền
thống như: kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay; giá
thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in; dễ dàng tích
hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm điện môi; tính linh
động cao: sự thay đổi về hình dạng của tấm bức xạ, kích thước, chất liệu điện
môi…cho phép thay đổi các đặc tính đặc trưng của ăng ten như tần số cộng
hưởng, sự phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông…; khả năng tạo ra phân
cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện,
hình dạng của ăng ten và các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể
chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng ten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế: băng hẹp; hiệu suất
bức xạ thấp; công suất nhỏ; chỉ bức xạ trong một nửa không gian trên mặt phẳng
đất; khó có thể đạt được sự phân cực thuần và sự bức xạ do các mối nối và tiếp
điện
2.1 Giới thiệu chung về anten patch
2.2 Các mô hình
Kết luận chương
II.
Kỹ thuật 5G trong thiết kế anten
2.1 Gt chương
2.2 Gt KT 5G trong anten
III.
Thieets kees
3.1 Gioi thieu hfss:
HFSS là từ viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô phỏng trường
điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu
điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, mô hình hóa 3D và tự
động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán
điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đồ
họa. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng
hưởng, giản đồ trường, tham số γ,... HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt
lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt
là đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần
tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích
nghi,… Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết
bị RF thụ động.
Quy trình thiết kế:
1. Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên
và nguồn kích thích.
2. Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời
giải.
3. Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động.
4. Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị trường 2D.
Giao diện của HFSS và vị trí các cửa sổ trong HFSS:
Hình 3. 1.Giao diện chính của chương trình HFSS
Các cửa sổ trong giao diện chính của HFSS :
+ Project Manager:
Hình 3. 2.Cửa sổ project manager
+ Property Window :
Hình 3. 3.Cửa sổ Property Window
Quá trình mô phỏng với HFSS có thể chia ra làm các bước có thể hiểu cách làm việc tính toán
theo lưu đồ sau :
Hình 3. 4. Lưu đồ làm việc của HFSS
Trong quá trình thực hiện phân tích, HFSS sẽ chia toàn bộ cấu trúc thành các tứ diện
nhỏ (gọi là mắt lưới). Hệ thống mắt lưới sẽ lấp kín toàn bộ cấu trúc. Tại mỗi bước thích
nghi, HFSS sẽ tính giá trị của tham số S cho từng mắt lưới. Giữa 2 bước thích nghi liên
tiếp, HFSS sẽ tính gia số Delta S với công thức như sau:
Delta S = Maxij[mag(SNij – S(N-1)ij]
(3.1)
Trong đó i và j là chỉ số của phần tử tuơng ứng trong ma trận S và N là chỉ số của
bước thích nghi. Delta S là giá trị lớn nhất của gia số của biên độ của tham số S tương ứng.
HFSS sẽ so sánh giá trị Delta S này với tiêu chuẩn hội tụ do người dùng định nghĩa
để kết luận sự hội tụ của lời giải.
Các bộ quét tần số
Thực hiện một bộ quét tần số khi người sử dụng muốn tạo ra một lời giải qua một dải
các tần số. Ta có thể lựa chọn một trong những loại bộ quét sau:
1. Nhanh: Tạo ra một lời giải trường đầy đủ duy nhất cho mỗi phép chia trong một
khoảng tần số.
Tốt nhất cho các mẫu đột ngột cộng hưởng hay thay đổi hoạt động trong băng tần số.
Một bộ quét nhanh sẽ chứa một sự mô tả chính xác các đặc điểm gần cộng hưởng.
2. Rời rạc: Tạo ra các lời giải trường ở các điểm tần số cụ thể trong một dải tần. Tốt
nhất khi chỉ có vài điểm tần số cần thiết phải mô tả chính xác các kết quả trong một dải
tần.
3. Nội suy: Đánh giá một lời giải cho toàn bộ dải tần. Tốt nhất khi dải tần rộng và đáp
ứng tần số là bằng phẳng, hay nếu sự yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá tài nguyên
của bạn. Kích thích Thiết lập các kích thích cho một thiết kế HFSS cho phép bạn cụ thể
hóa các nguồn trường điện từ và các điện tích, các dòng điện hay các điện áp trên vật hay
trên bề mặt: Wave port; Lumped port; Sóng tới; Nguồn điện áp; Nguồn dòng điện; Nguồn
phân cực từ.
3.2.1
Thiết kế anten patch đầu dò chữ L đơn giản
Ăng ten vá microstrip hiện đang được sử dụng rộng rãi vì chúng nhẹ, nhỏ gọn
và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, ai cũng biết rằng ăng ten microstrip có băng thông
trở kháng rất hẹp, thường là vài phần trăm. Để đáp ứng nhu cầu của hệ thống
băng rộng phổ biến, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các kỹ thuật
và xây dựng cấu hình để mở rộng băng thông của nó. Gần đây, các miếng vá
hình dạng khác nhau được sử dụng để thiết kế ăng-ten băng rộng bao gồm
miếng vá khe hình chữ E [2], miếng vá hình chữ H [3] và miếng vá khe hình chữ
U. [4]. Kết quả là thu được băng thông lên đến 30% -50%. Ngoại trừ các hình
dạng khác nhau được vá, các kiểu nguồn cấp dữ liệu khác nhau cũng được sử
dụng để mở rộng băng thông rộng. Điển hình nhất là đầu dò L [5-6]. Với đầu dò
L được cấp nguồn, băng thông trở kháng có thể được mở rộng. Tuy nhiên, kỹ
thuật này có nhược điểm là mức phân cực chéo cao, có dạng tương tự như của
một đơn cực ngắn, từ phần thẳng đứng của đầu dò. Sự phân cực chéo cao không
chỉ dẫn đến sự biến dạng của mẫu đồng phân cực, mà còn làm giảm độ lợi của
anten. Ngày nay, các anten được cấp nguồn vi sai được sử dụng phổ biến để
nâng cao hiệu suất bức xạ [7-8]. So với ăng-ten cấp nguồn đơn, ăng-ten cấp
nguồn vi sai cho thấy một lợi thế lớn, tức là loại bỏ dòng điện ở chế độ chung
[9].
Có thể quan sát thấy rằng ăng ten được đề xuất có băng thông trở kháng rộng
(SWR <2) là 92,7%, nằm trong khoảng từ 3,3 GHz đến 9 GHz.
Xét anten chữ L có kích thước như sau:
Với h1 = 0.762mm, h2 = 6mm; W1 = 18mm, W2 = 0.6mm, L1 = 26mm, L2 = 4.2mm, L3 =
50mm. Chất nền được sử dụng trong thiết kế là Roger RT / Duroid 6002 với hằng
số điện môi Er = 2,94.
Bảng khai báo vùng tần số khảo sát
Bảng thông số tạo môi trường bức xạ vùng xa hình cầu
Hệ số phản xạ S11
VSWR cua anten