Nghiên cứu sử dụng Matlab và HFSS trong thiết kế anten vi dải

Nội dung text: Nghiên cứu sử dụng Matlab và HFSS trong thiết kế anten vi dải

1. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 67 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MATLAB VÀ HFSS TRONG THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI A RESEARCH OF USING MATLAB AND HFSS TO DESIGN THE MICROSTRIP ANTENNA TS. ĐỖ QUANG HƢNG1; HOÀNG VĂN TIÊN2 1,2Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải 1Email: hungdq@utt.edu.vn TÓM TẮT: Anten vi dải là một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong hệ thống định vị toàn cầu, liên lạc vệ tinh di động và truyền hình vệ tinh. Tuy nhiên, việc thiết kế anten vi dải phức tạp và cần nhiều thời gian tính toán. Bài báo này trình bày phương pháp thiết kế và mô phỏng anten vi dải thông qua việc kết hợp phần mềm Matlab và HFSS (High Frequency Structure Simulator). Đầu tiên, một chương trình Matlab được xây dựng để tính toán kích thước anten. Các tham số đầu vào là tần số hoạt động, độ dày lớp điện môi, hằng số điện môi và trở kháng đầu vào. Tiếp theo, phần mềm HFSS được sử dụng để xác định và mô phỏng độ lợi, hệ số sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) và bức xạ của anten. Phương pháp này làm đơn giản hóa việc thiết kế anten vi dải. TỪ KHÓA: anten vi dải, độ lợi, hệ số sóng đứng VSWR, Matlab, HFSS. ABSTRACT: Microstrip antenna has been widely used in GPS (Global Positioning System), mobile satellite communications and Direct-Broadcast Satellite (DBS). However, designing microstrip antenna is complicated and time consuming. This paper presents an approach to design microstrip patch antenna by the combination of Matlab and HFSS (High Frequency Structure Simulator) software. Firstly, a Matlab program is developed to calculate antenna parameters. The program inputs are the resonant frequency, the height of the substrate, the constant of the substrate, and the input impedance. Then, the HFSS software is used to determine and simulate the gain, the voltage standing wave ratio (VSWR), and the radiation of antenna. The proposed approach simplifies designing the microstrip antenna. KEYWORDS: microstrip antenna, gain, voltage standing wave ratio (VSWR), Matlab, HFSS. 1. GIỚI THIỆU Anten vi dải (MSA) là loại anten cấu hình đơn giản, có nhiều lợi thế hơn những anten cùng loại như: khối lượng nhẹ, chi phí rẻ và dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện. Anten vi dải được sử dụng rộng rãi nhất trong dải tần số sóng cực ngắn và các ứng dụng sóng milimet. Những anten vi dải bao gồm một patch kim loại bằng vật liệu dẫn điện đặt trên đầu bề mặt với độ rộng W, độ dài L, miếng feed vi dải w và một mặt phẳng đất nằm đối diện với bề mặt của nó được tách biệt bởi đế điện môi với độ dày h và hằng số điện [1] môi εr như trong hình 1 . NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016
2. 68 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hình 1. Hình dạng của anten vi dải Miếng patch kim loại có nhiều hình dáng khác nhau. Tuy nhiên, hình chữ nhật và hình tròn được sử dụng nhiều nhất. Miếng patch kim loại về cơ bản tạo ra một hốc cộng hưởng, nơi miếng patch đặt trên đỉnh của hốc, mặt phẳng đất là đáy của hốc và đường viền các cạnh của bề mặt hốc. Các cạnh của miếng patch hoạt động tương đương như một đường biên hở mạch. Do đó, miếng patch hoạt động gần như một dây dẫn điện hoàn hảo trên đỉnh, dưới đáy bề mặt và một dây dẫn từ hoàn hảo trên các cạnh. Anten vi dải có thể được thiết kế hoạt động trên dải tần số lớn (1- 40GHz). Việc thiết kế anten vi dải được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như mạng cục bộ không dây (WLAN), mạng cảm biến không dây, bluetooth, điện thoại không dây và hầu hết thiết bị băng ISM. Tuy nhiên, một trong những trở ngại lớn của antenvi dải là chúng chỉ được sử dụng cho các ứng dụng băng thông nhỏ[1]. 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 2.1. Các phƣơng pháp cấp nguồn và phân tích anten vi dải Có một số phương pháp phân tích cho anten vi dải bao gồm: hốc cộng hưởng, toàn sóng (bao gồm các công thức tích phân và phương pháp Moment) và đường truyền. Phương pháp hốc cộng hưởng cung cấp chi tiết về mặt vật lý nhưng rất khó để làm mẫu ghép nối, mặc dù nó đã được sử dụng. Các mô hình toàn sóng có sự chính xác, linh hoạt và có thể xử lý các bộ phận đơn lẻ, mảng hữu hạn và vô hạn, các phần xếp chồng, các bộ phận tùy ý và khép nối. Tuy nhiên, mô hình này là một mô hình phức tạp và không cung cấp các chi tiết về mặt vật lý. Trong nghiên cứu này, mô hình đường truyền sẽ được sử dụng. Mô hình đường truyền cung cấp các chi tiết về mặt vật lý và là phương pháp thuận tiện nhất trong việc thiết kế[2]. Do giới hạn về số trang trong bài báo nên hai phương pháp còn lại không được đề cập tới. Có nhiều cấu hình mà có thể được sử dụng để cấp nguồn cho anten vi dải. Bốn phương pháp phổ biến là: đường vi dải, probe đồng trục, ghép khe, ghép gần. Tuy nhiên, Nghiên cứu này sử dụng đường truyền vi dải do nó dễ dàng để sản xuất, phù hợp với kiểm soát vị trí ghép và dễ dàng hơn để làm mẫu. Cấu hình đường truyền vi dải được biểu diễn trong hình 2. NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016
3. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 69 Hình 2. Đường truyền vi dải Hình 3. Chiều dài hiệu dụng và vật lý Anten được cấp nguồn bằng đường truyền vi dải khi đó có hiệu ứng viền, patch của anten vi dải trông có vẻ lớn hơn kích thước vật lý của nó trong mặt phẳng E (mặt phẳng Oxy), điều này được chỉ rõ trong hình 3, ở đó kích thước chiều dài của patch được mở rộng một khoảng L về mỗi phía, với là hàm của hằng số điện môi hiệu dụng  reff và tỷ số chiều rộng trên bề dày điện môi (W/h)[3]. 2.2. Thiết kế Dựa trên những công thức đơn giản đã được mô tả, một quy trình tính toán thiết kế cho anten vi dải hình chữ nhật đã được vạch ra. Giả sử ta đã có những thông số ban đầu: hằng số điện môi () r , tần số hoạt động ()fr và chiều cao của lớp điện môi nền (h). Ta có trình tự thiết kế như sau: Giả thiết: r , fr (Hz) và h Xác định: W, L, Lg, Wg Thiết kế: Những thông số được tính dựa vào những công thức trong bảng 1 Bảng 1. Những thông số và công thức kết hợp Thông số Công thức [4] Độ rộng của patch 1 2c 2 W (1) 2 fr 00 rr 1 2f 0 1 [5] 1 Hằng số điện môi hiệu dụng 2 rr 11 h reff 1 12 (2) 22 W [3] Độ dài mở rộng W  reff 0.3 0.264 h Lh0.412 (3) W  reff 0.258 0.8 h NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016
4. 70 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Thông số Công thức Độ dài của patch 1 c LLL 22 (4) 22ffr reff 00  r  reff Độ dài tối thiểu lớp đất L 6. h L g (5) Độ rộng tối thiểu lớp đất Wg 6. h W (6) Độ rộng của đường vi dải 7.48h w (7) Zo r 1.41 e 87 Chương trình dựa trên nền Matlab được phát triển để tính toán các thông số. Giả định anten vi dải với những thông số được cung cấp trong bảng 2. Thông số đầu vào và đầu ra của chương trình như trong hình 4. Bảng 2. Thông số đầu vào h Phương pháp cấp nguồn Vận tốc Z fr  r 0 2.4Ghz 4.3 1.6mm Đường truyền vi dải c 3 1011 ( mm / s ) 50 Hình 4. Thông số đầu vào và đầu ra 2.3. Mô phỏng Quá trình mô phỏng được thực hiện bởi HFSS (High Frequency Structural Simulator). HFSS là một công cụ thường được sử dụng để thiết kế anten và các thành phần mạch điện RF phức tạp bao gồm các bộ lọc, đường truyền và đóng gói. Các thông số đầu vào của HFSS là xsize , ysize và zsize (nếu cần thiết) như trong Hình 5 và hình dạng như ở Hình 6. Các kết quả thu được sau khi mô phỏng bao gồm độ lợi của anten vi dải, tham số S11, mẫu bức xạ và VSWR (hệ số sóng đứng). Độ lợi được định nghĩa là "tỷ lệ của cường NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016
5. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 71 độ (theo một hướng nhất định) với cường độ bức xạ thu được nếu năng lượng được chấp nhận bởi các anten được bức xạ đẳng hướng. Cường độ bức xạ tương ứng với năng lượng bức xạ đẳng hướng được chấp nhận (đầu vào) của anten chia cho 4π"[2]. Tham số S11 mô tả các hoạt tính của mạng điện tuyến tính khi trải qua trạng thái kích thích ổn định khác nhau bằng tín hiệu điện. Các mô hình bức xạ là hình chiếu của độ lợi trong mặt phẳng 2D . Đồ thị VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) là một hàm của hệ số phản xạ, nó mô tả năng lượng phản xạ từ anten. Figure 5. Input dimension Figure 6. Shape of MSA Mô phỏng được thực hiện trong HFSS (High Frequency Structural Simulator). Kết quả mô phỏng tham số suy hao S11 của anten vi dải được minh họa trong Hình 7. Các kết quả trên cho thấy các anten bức xạ tốt nhất ở tần số 2.33 GHz tại S11 = -9,6 dB. Hơn nữa, khi ở mức 1.5 GHz anten sẽ hầu như không bức xạ S11 xấp xỉ bằng 0 dB (vì tất cả các năng lượng được phản xạ). Hình 7. Mô phỏng tham số S11 Hình 8. Đồ thị bức xạ Từ miếng patch vi dải bức xạ tới bề mặt patch của nó, đồ thị góc tại φ=00 và φ=900 sẽ trở nên quan trọng. Đồ thị bức xạ anten vi dải đưa ra độ lợi tại 00 và 900 được minh họa trong hình 8. Hình 9 cho thấy độ thị độ lợi và độ lợi đề xuất tại 2.4GHz đạt được là 5.2dB. Hình 9. Độ lợi Hình 10. VSWR NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016
6. 72 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hình 10 mô tả đồ thị tần số với độ lớn dB của VSWR. Trong trường hợp này hệ số suy hao sóng đứng VSWR của anten đạt được 2.35dB. 3. KẾT LUẬN Bài báo này đã trình bày các bước thiết kế anten vi dải bằng việc kết hợp giữa Matlab và HFSS. Ví dụ minh họa cho việc thiết kế một anten vi dải đã chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp đề xuất. Hiệu quả ảnh hưởng trên miếng patch và ảnh hưởng của nó đã cải thiện đặc tính của anten và đặc tính bức xạ trên mặt phẳng E và H cũng được khảo sát trong bài báo. Phương pháp đề xuất đã đơn giản hóa quá trình thiết kế anten vi dải. TÀI LIỆU THAM KHẢO [6] Murthi Mahadeva Naik G, Dr. Naveen Kumar S.K, Bhavya, B.P, (2015), “Performance analysis of microstrip patch antenna using coaxial probe feed technique,” International Journal of Technical Research and Applications, vol. 3, no. 3, pp. 365-367. [7] Constantine A. Balanis, Antenna theory analysis and design- 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. [8] E. O. Hammerstad, (1975), “Equations for Microstrip Circuit Design,” Proceedings of the fifth European Microwave Conference, pp. 268–272. [9] I. J. Bahl and P. Bhartia, (1980), Microstrip Antennas, Artech House, Dedham, MA. [10] C. A. Balanis, (1989), Advanced Engineering Electromagnetics, JohnWiley & Sons, New York. Ngƣời phản biện: GS.TS. Nguyễn Quốc Bảo NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016