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

Bài viết 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu sử dụng Matlab và HFSS trong thiết kế anten vi dải 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 1,2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải 1 Email: 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 môi εr như trong hình 1[1]. NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 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 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 L 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 trìn ...