Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo anten mạch dải mảng 2x4 hoạt động ở băng tần ISM
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (490.24 KB, 3 trang )
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN MẠCH DẢI
MẢNG 24 HOẠT ĐỘNG Ở BĂNG TẦN ISM
Đoàn Hữu Chức
Trường Đại học Quản lý và Cơng nghệ Hải Phịng, email:
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Anten là thành phần thu nhận năng lượng
trong các hệ thống siêu cao tần. Anten là
thành phần khơng thể thiếu trong các hệ
thống thu phát sóng điện từ. Có nhiều loại
anten có thể được sử dụng như anten mạch
dải, anten loa, anten parabol,v.v. Việc dùng
anten mạch dải có khá nhiều ưu điểm như dễ
dàng chế tạo, tích hợp trên một bo mạch in,
anten mạch dải cũng thường có tính chọn lọc
tần số, nghĩa là nó chỉ hoạt động trong một
dải nhất định [1,3].
Bài báo này trình bày việc thiết kế chế tạo
anten mảng mạch dải 24 dùng trong hệ
thống siêu cao tần hoạt động ở dải tần ISM
với tần số hoạt động trung tâm 2,45 GHz.
Anten được chế tạo có hệ số phản xạ nhỏ hơn
-19 dB và đạt độ lợi 10dB. Anten này có thể
được ứng dụng cho các hệ thống truyền
thông không dây hoặc hệ thống truyền năng
lượng không dây.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả
sử dụng các phương pháp như phân tích tốn
học, giải tích để tính tốn các thơng số thiết
kế, phương pháp mơ hình hóa để mô phỏng
trên phần mềm ADS và phương pháp thực
nghiệm để kiểm chứng kết quả.
3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ
THỰC NGHIỆM CỦA ANTEN
Sau đây tác giả trình bày việc thiết kế chế
tạo anten mảng mạch dải 24 hoạt động ở
tần số 2,45 GHz (thuộc băng tần ISM) sử
dụng phíp đồng loại FR4.
Trong đó các miếng patch được tiếp điện
bằng các đoạn dây chêm qua rãnh được
khoét sâu vào trong anten [2].
Chiều dài đoạn ăn sâu vào miếng patch
của anten y được tính bởi:
L
50
(1)
y cos 1
Z0
Trong đó: Z0 - trở kháng đặc tính lối vào của
đường truyền; L - độ cao của miếng patch.
Chiều rộng của phần mảng bị cắt này có
thể được xấp xỉ theo cơng thức:
v 4,65.1012
g
(2)
f
2ε eff
Trong đó: eff - giá trị hằng số điện mơi
hiệu dụng; f - tần số hoạt động trung tâm
của anten.
Với là vận tốc sóng điện từ.
Việc phối hợp trở kháng và phân chia
công suất cho hệ anten mảng 8 phần tử này
được thực hiện theo nguyên tắc chia đôi. Giá
trị của các đường được tính theo cơng thức:
Z Z0 n
(3)
Ở đây, đường Z0 có giá trị 50Ω và được
chia đơi thành hai đường nhánh như nhau.
Vì vậy giá trị của mỗi đường nhánh sẽ là
50 2 70.71 . Các đoạn 50 Ω có độ dài
tùy ý nhưng trên thực tế, giá trị độ dài này
nên càng ngắn càng tốt vì như vậy sẽ giảm
được suy hao trong quá trình phân phối
năng lượng đến các phần tử phát xạ. Các
đường 70.71 Ω ở đây cũng đóng vai trò là
đoạn phối hợp trở kháng theo phương thức
đoạn /4, độ dài của các đoạn này được
tính theo cơng thức:
212
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
4
0
4 eff
eff
r 1
2
(4)
r 1
(5)
2 1 12h / W
Trong đó: r - hằng số điện mơi của vật
liệu sử dụng, 0 - bước sóng hoạt động
trung tâm, h - chiều cao của miếng phíp
đồng chế tạo anten.
Và W được xác định theo công thức:
60 8h W
Z0
ln
(6)
r W 4h
Hướng tính (Directivity)
> 13 dBi
Độ lợi (Gain)
> 10 dB
< 30o
Băng thơng 3-dB
Hệ số sóng đứngVSWR
<2
Sơ đồ mạch và mạch chế tạo thực tế đưa
ra ở hình 1.
Kết quả mơ phỏng tổn hao phản hồi,
hướng tính và hệ số khuếch đại 2D và 3D
của anten được trình bày trên hình 2.
Để thiết kế anten ta chọn các thơng số
chính theo bảng 1 dưới đây. Giá trị yêu cầu
thiết kế cho anten mảng 2x4 được chỉ rõ trên
bảng này.
Sử dụng công cụ LineCalc của ADS2016
với các thông số đầu vào của vật liệu FR4 đạt
được các thông số của các đoạn phối hợp trở
kháng như bảng 2 sau.
a)
Bảng 1. Thông số thiết kế anten mảng
THAM SỐ
Phần tử
mảng
(patch)
GIÁ TRỊ
Chiều rộng W (mm)
37.5
Chiều dài L (mm)
Phần khoét sâu (mm)
29.1
b)
Hình 1. Sơ đồ mạch in (a)
và sản phẩm thực tế (b)
7.7
Đoạn dây Chiều rộng (mm)
chêm 50Ω Chiều dài (mm)
3.09
không yêu cầu
Đoạn λ/4 Chiều rộng (mm)
(70.71Ω) Chiều dài (mm)
17.28
1.64
Bảng 2. Kích thước anten 24
Tham số
Tần số hoạt động
Lớp nền (substrate)
Hằng số điện môi của lớp
điện môi FR4 (r )
Độ dày lớp đồng dẫn điện (h)
Giá trị yêu cầu
2.45 GHz
a) Hệ số tổn hao phản hồi
FR-4 epoxy
4.34
1.6 mm
Trở kháng lối vào
50 Ω
Băng thông -10 dB
> 50 MHz
Suy hao phản hồi (RL) tại
2.45 GHz
< -10 dB
b) Hệ số khuếch đại 2D
213
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
trên phần mềm. Giá trị này thỏa mãn yêu cầu
thiết kế đặt ra.
4. KẾT LUẬN
c) Hệ số khuếch đại 3D
Hình 2. Kết quả mơ phỏng của anten
Kết quả mơ phỏng cho thấy hệ số S11 khá
tốt. Dải thông cho S11< 10 dB là 70 MHz,
giá trị này lớn hơn so với yêu cầu thiết kế.
S11đạt giá trị nhỏ nhất 20,16 dB, nghĩa là
hệ số sóng đứng VSWR của anten thiết kế sẽ
nhỏ hơn 1,5. Hệ số khuếch đại của anten đạt
10,4 dB theo hướng búp sóng chính.
Hình 3. Tham số S11 của anten 2x4
Kết quả đo thực nghiệm tham số S11 của
anten được đưa ra ở hình 3. Theo đó hệ số
phản xạ có giá trị nhỏ hơn 19.6 dB ở tần số
hoạt động 2,45 GHz, như vậy kết quả thực
nghiệm phù hợp với thiết kế và mô phỏng
Một anten mạch dải mảng 24 đã được
thiết kế chế tạo hoạt động trong băng tần
ISM. Hệ số phản xạ của anten nhỏ hơn
19 dB nghĩa là hệ số sóng đứng VSWR đạt
yêu cầu nhỏ hơn 1,5. Do đó có thể ứng dụng
anten cho các hệ thống thu phát siêu cao tần
trong thực tiễn.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A.B. Mutiara,R.Refianti and Rachmansyah
(2011), “Design Of Microstrip Antenna For
Wireless Communication At 2.4 GHz”,
Journal of Theoretical and Applied
Information Technology, Vol. 33(2), pp.
184-192.
[2] M. Biswas, Umama Zobayer, J. Hossain,
Ashiquzzaman, and Saleh(2012), “Design a
Prototype of Wireless Power Transmission
System
Using
RF/Microwave
and
Performance Analysis of Implementation”,
IACSIT International Journal of Engineering
and Technology,Vol.4(1),pp.61-66.
[3] T. Durga Prasad, K. V. Satya Kumar, MD
Khwaja Muinuddin, ChistiB.Kanthamma,
V.Santosh Kumar (2011), “Comparisons of
Circular and Rectangular Microstrip Patch
Antennas”, International Journal of
Communication Engineering ApplicationsIJCEA, Vol.02, Issue 04, pp.187-197.
214
