Thiết kế chấn tử anten mạch dải hình chữ nhật băng X

Kỹ thuật điện tử L.N.Uyên, P.K.Lanh, Tr.T.Trâm, C.V.Vũ, “Thiết kế chấn tử anten chữ nhật băng X.” 250 THIẾT KẾ CHẤN TỬ ANTEN MẠCH DẢI HÌNH CHỮ NHẬT BĂNG X Lê Ngọc Uyên1*, Phạm Khắc Lanh1, Trần Thị Trâm1, Cao Văn Vũ1 Tóm tắt: Bài báo đề cập đến việc thiết kế chấn tử anten mạch dải hình chữ nhật trong dải tần số băng X. Việc thiết kế và tính toán được áp dụng cho tần số 9.7 GHz. Sau đó tính toán các tham số của chấn tử anten như là độ rộng, hằng số điện hiệu dụng, độ dài điện và độ dài thực tế, trở kháng đầu vào anten và phối hợp với cáp 50 Ohm. Sau khi tính toán, sử dụng phần mềm CST để mô phỏng các kết quả của việc thiết kế. Từ khóa: Anten mạch dải chữ nhật, Trở kháng, Tổn hao phản hồi, Hệ số sóng đứng. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây việc phát triển và chế tạo anten mạch dải đã được ứng dụng nhiều trong công nghệ thông tin và truyền thông. Việc thiết kế dựa trên việc phân tích các tính năng của anten dạng hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác, hình elip và một số dạng phổ biến khác. Trong đó việc thiết kế theo dạng hình chữ nhật được sử dụng rộng dãi nhất. Bài báo sẽ tập trung phân tích tính toán và thiết kế các tham số anten mạch dải hình chữ nhật [1,2,3,4,5] 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Về một chấn tử anten mạch dải ta có thể xem xét như là sự kết hợp mắc song song của các điện trở R, điện cảm L, và điện dung C như hình 1. Các giá trị của R, L, C được tính theo công thức mở rộng được trình bày ở phần dưới. R Rp L C Xp Hình 1. Sơ đồ mạch điện tương đương của chấn tử anten. Ở đây. các giá trị Rp và Xp được thêm vào là để tính phối hợp trở kháng với đầu vào cấp điện cho chấn tử. Các giá trị R, L, C được tính theo công thức như sau: 1 0 0 cos ( ) 2 elW yC h l     (1) 2 1 L C  (2) rQR C  (3) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 251 4 r r c Q fh   (4) Ở đây : c : Vận tốc ánh sáng ω=2πf f: Tần số cần bức xạ của anten cần thiết kế l Độ dài điện của chấn tử anten W Độ rộng của chấn tử anten εo Hằng số điện môi không khí h Độ dày của tấm điện môi 2.1. Tính toán các tham số của chấn tử anten Các tham số của anten như là độ rộng, hằng số điện môi hiệu dụng, độ dài điện, độ dài mở rộng, độ dài thực tế được tính trong các công thức sau: Độ rộng của chấn tử anten tính theo công thức (5): 1 2 2 r c W f    (5) 1 2 1 1 12 (1 ) 2 2 r r e h W         (6) 2 eff e c l f   (7) ( 0.3).( 0.264) 0.412 ( 0.258).( 0.8) e e W hl h W h         (8) 2.effl l l   (9) Trong đó: effl : Độ dài hiệu dụng của chấn tử anten; l : Độ dài thực tế của chấn tử anten. 2.2. Phối hợp trở kháng anten Trở kháng vào của anten được thu được theo hình 1 là: 2 2 2 3 2( ) in R L jR L L C Z X      (10) Với giá trị: 2 2 2 2 2(1 )X R LC L    (11) 2.3. Tính toán vị trí cấp điện cho chấn tử Kỹ thuật điện tử L.N.Uyên, P.K.Lanh, Tr.T.Trâm, C.V.Vũ, “Thiết kế chấn tử anten chữ nhật băng X.” 252 Vị trí cấp điện phải phối hợp tốt nhất với chấn tử anten để đảm bảo ít tổn hao phản hồi. Thông thường để đưa vị trí cấp điện về giữa chấn tử anten ta dùng cấp điện dạng khe: Ở đây, giá trị W0 phụ thuộc vào giá trị trở kháng của nguồn cấp điện cho chấn tử anten. Để xác định giá trị y0 cho inZ = Z0 (Trở kháng của cáp cấp điện. Thông thường chọn cáp 50 Ohm). Từ đó tính được C và tính ra giá trị y0. 2.4. Trường bức xạ Bức xạ của chấn tử anten được tính theo các công thức sau: 0 0 -jk 0 0 0 sin sin 2We (cos( cos )).sin sin sin 2 cos sin sin cos 2 r k W E jVk kh k Wr k l                                     (12) 0 2    0 0 -jk 0 0 0 sin sin 2We (cos( cos )).sin sin sin 2 cos sin sin cos .cos 2 r k W E jVk kh k Wr k l                                      Trong đó, V là biên độ điện áp; k = ko.r; r là khoảng cách tới điểm bức xạ; k0 là hằng số trong môi trường không khí; W là độ rộng của chấn tử anten; l là độ dài thực tế của chấn tử anten. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 253 3. THIẾT KẾ CHẤN TỬ Tiến hành tính toán các tham số của chấn tử anten với vật liệu là Roger 5880 với tần số bức xạ trung tâm là 9.4 GHz. Ta có được bộ tham số của chấn tử anten để mô phỏng thiết kế. Tham số Giá trị Chất nền Roger 5880 Hằng số điện chất nền 2.2 Độ dày chất nền 1.57 mm Tần số thiết kế 9.4 GHz Hằng số điện môi hiệu dụng 2 Độ dài thực tế chấn tử anten 9.61 mm Độ rộng của chấn tử anten 12.6 mm 4. KẾT QUẢ Sử dụng phần mềm CST tiến hành thiết kế và mô phỏng chấn tử anten mạch dải hình chữ nhật. Tiến hành điều chỉnh phối hợp trở kháng ta thu được kết quả mô phỏng: Hình 2. Mô phỏng chấn tử anten. Kỹ thuật điện tử L.N.Uyên, P.K.Lanh, Tr.T.Trâm, C.V.Vũ, “Thiết kế chấn tử anten chữ nhật băng X.” 254 Hình 3. Tổn hao phẩn hồi của chấn tử anten. Hình 4. Hệ số sóng đứng của chấn tử anten. Hình 5. Giản đồ hướng/ hệ số khuếch đại của chấn tử anten. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 255 Hình 6. Giản đồ hướng của chấn tử anten trong không gian 3 chiều. Từ các kết quả ta có một số nhận xét: Hệ số sóng đứng và tổn hao phản hồi của chấn tử anten tại tần số 9.41 GHz lần lượt là 1.038 và -34 dB; dải thông hơn 500 MHz. 5. KẾT LUẬN Từ tính toán đến mô phỏng trên phần mềm ta thu được thiết kế của một chấn tử anten mạch dải băng X tại tần số 9.41 GHz với dải thông là 5%. Thêm vào từ các kết quả mô phỏng cho 1 chấn tử này có thể áp dụng để tạo nên một cấu trúc mảng anten MxN phần tử với khoảng cách giữa các phần tử thích hợp để tạo ra một anten mảng có giản đồ hướng phù hợp với các yêu cầu của một hệ thống anten mạng trong thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Adil Hameed Ahmad and Basim Khalaf Jar‟alla, “Design and Simulation of Broadband Rectangular Microstrip Antenna‟, Eng. Tech. Vol. 26, No. 1. 2008. [2]. J. Bahl and P. Bhartia, “Microstrip Antennas”. Dedham, MA: Artech House, 1980. [3]. Dr. Anubhuti Khare, Rajesh Nema and Puran Gour (2010),‟ New Multiband E-Shape Microstrip Patch Antenna on RT DUROID 5880 Substrate and RO4003 Substrate for Pervasive Wireless Communication”, International Journal of Computer Applications (0975–8887), Vol. 9, No. 8, 2010. Kỹ thuật điện tử L.N.Uyên, P.K.Lanh, Tr.T.Trâm, C.V.Vũ, “Thiết kế chấn tử anten chữ nhật băng X.” 256 [4]. D. Mandal, R. Kar, and A. K. Bhattacharjee, “Input impedance of rectangular microstrip antennas on non-radiating edges for different feed sizes”, Progress In Electromagnetics Research C., Vol. 1, 191–198, 2008. [5]. M.D. Deshpande, “Input Impedance of Microstrip Antenna” IEEE Trans. , Antennas and propagation‟, Vol. AP 30, No. 4, pp. 645 - 650, July 1982. [10] J. Bahl & P. Bhartia, „Microstrip Antennas‟ Artech House, 1980. ABSTRACT DESIGN SEISMIC ATENNA CIRCUIT ELEMENT RECTANGULAR STRIP TAPE X In the paper we have designed a rectangular microstrip antenna in X band. The desired frequency is chosen to be 9.4 GHz which the patch antenna is designed. After calculating the various parameters such as with, affective dielectric constant, effective length and actual length, the antenna impedance is matched to 50 ohm of cable. After calculating, these results are simulated by software CST (Computer simulation technology). Keywords: Ractangular Microstrip Antenna, Impedance, Return loss, VSWR. Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Ra đa, Viện KH – CN Quân sự, BQP. *Email: Uyenvrd2006@gmail.com