Lời Mở Đầu

Trong những năm gần đây, kĩ thuật thông tin và truyền số liệu đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Từ các khối mạch số liên kết hữu tuyến đã dần được thay thế thành các hệ thông thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với các phương pháp xử lý số tín hiệu cho phép truyền thông tin đi xa hơn, trên nên nhiễu lớn hơn, công suất phát thấp hơn và dải tần thông tin rộng hơn.

Một trong các yếu tố cải thiện chất lượng thông tin này là các hệ thống các anten thu phát kích thước nhỏ và dải tần rộng, mà trong đó phần tử được triển khai và nghiên cứu nhiều là anten vi dải (microstrip patch antenna).

Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng. Không những thế, anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (array antenna) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong nhiều ứng dụng kĩ thuật cao.

Trong phạm vi đề tài luận văn này, chúng ta sẽ quan tâm tới việc thiết kế thi công và mô phỏng Dãy Microstrip Patch antenna tần số cộng hưởng 2.4 GHz.

Đầu tiên là nghiên cứu sâu vào một patch antenna. Sau đó sẽ đưa ra cách giải quyết để tăng băng thông, Thiết kế mảng array nhiều antenna để tăng độ lợi độ định hướng của anten phù hợp với các mô hình thực tế hiện nay.

Đề tài này gồm có 4 chương. Chương 1 và 2 tập trung vào việc phân tích lý thuyết về anten vi dải, mảng anten và cách phối hợp trở kháng với đường truyền. Chương 3 đưa ra cách giải quyết ba bài toán thiết kế anten vi dải, tăng băng thông và cách phối hợp chúng thành mảng và dùng thực hiện mô phỏng những gì đã tính toán. Chương 4 sẽ là thi công và đo đạc các kết quả đạt được. Cuối cùng là phần kết luận hướng phát triển và phụ lục bao gồm chương trình viết bằng matlab để thực hiện tính toán anten vi dải và các thông số liên quan.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

CHƯƠNG 1: ANTEN VI DẢI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN VI DẢI . 1

1.1.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 2

1.1.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA) . 3

1.1.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method) . 4

1.1.3.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải . 5

1.1.3.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục 5

1.1.3.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe 6

1.1.3.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần . 6

1.1.4 Băng thông của MSA 7

1.1.5 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải . 8

1.1.6 Trường bức xạ của anten vi dải 9

1.1.6.1 Thế vectơ và một số công thức tính trường bức xạ 10

1.1.6.2 Công suất bức xạ . 11

1.1.6.3 Công suất tiêu tán . 11

1.1.6.4 Năng lượng tích lũy 12

1.1.6.5 Trở kháng vào . 12

1.1.7 Sự phân cực sóng 13

1.2 CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 13

1.2.1 Mô hình đường truyền (Transmission line) 14

1.2.1.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 14

1.2.1.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu

dụng 15

1.2.1.3 Bài toán thiết kế 17

1.2.1.4 Điện dẫn . 18

1.2.1.5 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng . 19

1.2.2 Mô hình hốc cộng hưởng . 22

1.2.2.1 Các mode trường – TMx­ . 23

1.2.2.2 Trường bức xạ - Mode TMx010 26

1.2.2.3 Độ định hướng 28

1.3 ẢNH HƯỞNG GHÉP TƯƠNG HỔ GIỮA HAI ANTEN VI DẢI . 30

Chương 2: MẢNG ANTEN VI DẢI

2.1 MẢNG HAI PHẦN TỬ 33

2.2 MẢNG TUYẾN TÍNH N PHẦN TỬ - ĐỒNG NHẤT BIÊN ĐỘ VÀ

ĐỒNG NHẤT KHOẢNG CÁCH 35

2.2.1 Mảng broadside và mảng End-Fire 38

2.2.2 Mảng quét [Phased (Scanning) Array] 41

2.3 MẢNG TUYẾN TÍNH N PHẦN TỬ - CÁC ĐẶC TÍNH BA CHIỀU 42

2.3.1 N phần tử nằm dọc theo trục Z 42

2.3.2 N phần tử nằm dọc theo trục X hoặc Y 43

2.4 MẢNG TUYẾN TÍNH N PHẦN TỬ - KHOẢNG CÁCH ĐỒNG NHẤT,

BIÊN ĐỘ KHÔNG ĐỒNG NHẤT 44

2.4.1 Hệ số mảng 44

2.4.2 Mảng nhị thức 46

2.4.3 Mảng Schebyscheff . 47

2.5 MẢNG HAI CHIỀU . 48

2.5.1 Hệ số mảng . 48

2.5.2 Độ rộng búp sóng . 50

2.5.3 Độ định hướng 52

2.6 THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH BỨC XẠ CỦA MẢNG ANTEN HAI CHIỀU . 52

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI

3.1 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MỘT PATCH ANTENNA VI DẢI 55

3.1.1 Thiết kế 55

3.1.2 Mô phỏng . 58

3.2 MỞ RỘNG BĂNG THÔNG 62

3.2.1 Thiết kế . 62

3.2.2 Mô phỏng 63

3.3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG DÃY ANTEN VI DẢI . 66

3.3.1 Thiết kế . 66

3.3.1.1 Mảng 4 phần tử 66

3.3.1.2 Mảng 16 phần tử 68

3.3.2 Mô Phỏng Array 71

Chương 4: THI CÔNG VÀ ĐO ĐẠC

4.1 THI CÔNG MICROSTRIP ANTENNA . 75

4.2 ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ CHO SMA 76

4.2.1 Giới thiệu thiết bị Network Analyzer 77

4.2.2 Các thông số của anten . 79

4.2.2.1 Patch antenna với miếng xốp đệm không khí 79

4.2.2.2 Mảng bao gồm bốn patch antenna . 82

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 85

PHỤ LỤC . 87

[FONT=&]TÀI LIỆU THAM KHẢO