Luận văn Thạc sĩ: Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4GHz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

  

VÕ HỒNG NGÂN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CHO ỨNG DỤNG

WLAN 2.4GHz

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, Tháng 12/2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LƯƠNG VINH QUỐC DANH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.

HCM ngày 31 tháng 12 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ............................................................

2. ............................................................

3. ............................................................

4. ............................................................

5. ............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

------------------- --------o0o-------

Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VÕ HỒNG NGÂN MSHV: 11810080

Ngày, tháng, năm sinh: 13/ 10/ 1987 Nơi sinh: Tiền Giang

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã Số: 605270

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu và thiết kế anten vòng phân cực kép cho ứng dụng WLAN dải tần

2.4 GHz.

- Mô phỏng trên phần mềm HFSS 13.0.2 và thi công thực tế.

- Đo các thông số tán xạ S bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8 và

so sánh với kết quả mô phỏng. Đo cường độ sóng của anten lưỡng cực nửa sóng

thông thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và

phần mềm Netstumbler, so sánh và đánh giá kết quả.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Ngày 10 Tháng 02 Năm 2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 14 Tháng 11 Năm 2014

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LƯƠNG VINH QUỐC DANH

Tp. HCM, ngày tháng năm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lương Vinh Quốc Danh,

đã tận tình chỉ bảo cùng những tài liệu quý báu của thầy đã giúp em hoàn thành

luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trường Đại học

Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và

nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa qua. Xin cảm ơn các bạn học viên và

những người thân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc khó khăn

trong thời gian thực hiện.

Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên đề tài sẽ

không tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp

xây dựng của quý Thầy, Cô và các bạn học viên để có thể tiếp tục phát triển

và hoàn thiện hướng nghiên cứu của mình.

TP Hồ Chí Minh, Tháng 12/2014

HVTH: Võ Hồng Ngân

Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Để giảm suy hao trong quá trình truyền, nhận tín hiệu thì việc phù hợp phân

cực ở cả hai anten phát và thu là một vấn đề quan trọng. Bên cạnh đó để tiết kiệm

các trạm gốc khi không gian có hạn cũng là vấn đề đáng quan tâm. Sử dụng anten

phân cực kép được trình bày ở đây là một giải pháp tốt hơn giữa truyền và nhận của

hai anten, tiết kiệm không gian, làm giảm tác dụng của phản xạ đa đường (multipath

fading), …

Ở đây luận văn tập trung giới thiệu một anten phân cực kép có khả năng hoạt

động ở dải tần WLAN (Wireless Local Area Network) 2.4 GHz. Anten được thiết

kế bao gồm một tấm mạch in FR-4 tròn với ba anten vòng được sắp xếp xoay vòng 120o theo cấu trúc đối xứng. Bản mạch in FR-4 được đặt cách tấm phản xạ một

khoảng cách nhỏ. Kích thước của anten và vị trí đặt ngõ vào (port) tiếp tín hiệu sử

dụng cáp đồng trục được tối ưu để có được sóng phân cực kép, tần số cộng hưởng

2.44 GHz, độ lợi đỉnh lớn hơn 8-dBi, và độ cách ly giữa hai ngõ vào dưới – 20 dB.

Bên cạnh đó băng thông được cải thiện để sử dụng được nhiều dịch vụ mạng hơn.

Các kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả đo đạc thực tế. Anten có thể được sử

dụng cho các access point (AP) dải tần 2.4 GHz có hệ thống anten MIMO

(Multiple-Input Multiple-Output) 3x3.

Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Ansoft HFSS và được thi

công trên PCB FR-4 có hằng số điện môi εr = 4.6, độ dày là 1.6 mm. Đo công suất

tín hiệu của anten lưỡng cực nửa sóng thông thường so với anten được thiết kế bằng

máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, đo các thông số tán xạ S

HVTH: Võ Hồng Ngân

bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Abstract

To reduce loss during signal transmitting and receiving, the appropriate

polarization at both transmitter and receiver antennas is an important issue. In

addition, saving the base station in condition of narrow space is also concerned.

Using dual-polarized antenna, which is presented in this thesis, is a better solution

between transmitted and received signals of the two antennas, help to save space

and reduce effects of multipath fading as well.

This thesis will focus on introducing a dual-polarized antenna capable of

operating in the frequency range of the WLAN (Wireless Local Area Network)

2.4GHz. A designed antenna includes an FR-4 printed circuit boards with three

circular loop antennas are arranged 120° rotation with symmetry structure. FR-4

PCB is placed far away the reflector with a small distance. The size of the antenna

and the placement of input (port) to the signal using a coaxial cable, which is

optimized for dual-polarized waves, the resonant frequency of 2.44 GHz, the peak

gain is greater than 8-dBi, and the isolation between the inputs below - 20 dB. In

addition, the bandwidth can be improved to use for multi-network services. The

simulation results match the actual measurement results. Antenna can be used for

the access points (APs) with 2.4 GHz frequency range, which has MIMO antenna

systems (Multiple-Input Multiple-Output) 3x3.

The simulation is performed on Ansoft HFSS and be constructed on FR-4

PCB with dielectric constant εr = 4.6, thickness of 1.6 mm. Measuring the signal

power by half-wavelength dipole antenna usually marketed compared with the

antenna design by EMC Analyzer E7405 machine and Netstumbler software,

measuring the scattering parameters S by Vector Network Analyzer - R & S ZBV8

HVTH: Võ Hồng Ngân

machine.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài “Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz” dưới sự

hướng dẫn của TS. Lương Vinh Quốc Danh. Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là

do chính tôi thực hiện và chưa có phần nội dung hay kết quả nào của luận văn này

được công bố trên tập chí hay nộp để lấy bằng trên các trường đại học nào đó, ngoại

trừ các kết quả tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014

Học viên

HVTH: Võ Hồng Ngân

Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1

1. 1 Đặt vấn đề .................................................................................................. 1

1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề ............................................................................ 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết ..................................... 3

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ............................................. 4

2.1 Giới thiệu chung về anten .......................................................................... 4

2.2 Hệ phương trình Maxwell .......................................................................... 6

2.3 Đặc tính bức xạ điện từ của anten............................................................... 7

Đặc tính của đường dây truyền sóng .......................................................... 8

2.4

2.4.1 Bước sóng (Wavelenght) .................................................................... 8

2.4.2 Trở kháng đặc tính (characteristic impedance) .................................... 9

2.4.3 Phối hợp trở kháng ............................................................................. 9

2.4.4 Hệ số phản xạ (Γ) ............................................................................. 10

2.4.5 Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng ........................................ 10

2.4.6 Tổn hao phản xạ (Return loss) .......................................................... 11

2.5 Các thông số đặc trưng của anten .............................................................. 11

2.5.1 Trở kháng vào của anten ................................................................... 11

2.5.2 Hệ số định hướng và độ tăng ích ....................................................... 12

2.5.3 Giản đồ bức xạ (Radiation pattern) ................................................... 13

2.5.4 Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ .................................... 16

2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ...................................... 18

2.5.6 Hiệu suất của anten (et) ..................................................................... 19

2.5.7 Tính phân cực của anten ................................................................... 20

2.5.8 Dải tần của anten .............................................................................. 21

HVTH: Võ Hồng Ngân

2.6 Các hệ thống anten .................................................................................... 22

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................ 24

3.1 Giới thiệu .................................................................................................. 24

3.2 Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển ........................... 25

3.3 Cấu tạo ...................................................................................................... 25

3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu .............................................................. 26

3.4.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải................................................... 27

3.4.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục ............................................................ 28

3.4.3 Tiếp điện bằng cách ghép khe ........................................................... 29

3.4.4 Tiếp điện bằng cách ghép lân cận ..................................................... 30

3.5 Nguyên lý hoạt động của antenna vi dải ................................................... 31

Tính phân cực của anten vi dải ................................................................. 32

3.6

Dải tần anten vi dải .................................................................................. 33

3.7

Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải ......................................... 36

3.8

3.8.1 Mô hình đường truyền ...................................................................... 37

3.8.2 Mô hình hốc cộng hưởng .................................................................. 39

3.8.3 Mô hình sóng đầy đủ ....................................................................... 41

3.8.4 Phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................... 41

Một số loại anten vi dải cơ bản ................................................................. 41

3.9

3.10 Anten vòng .............................................................................................. 44

3.11 Tóm tắt .................................................................................................... 48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC ............................................................. 49

4.1 Phương pháp thiết kế anten ....................................................................... 49

4.1.1 Cơ sở thiết kế anten .......................................................................... 49

4.1.2 Tính toán các thông số kỹ thuật cho anten ........................................ 50

4.1.3 Phương pháp tiếp điện cho anten ...................................................... 52

4.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá anten ................................................................ 52

4.1.5 Tối ưu các thông số kỹ thuật cho anten ............................................. 52

4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS............................... 53

4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế ......................................................... 72

iii

HVTH: Võ Hồng Ngân

4.4.1 Hình ảnh thực tế của anten ................................................................ 72

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

4.4.2 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế ................................................. 73

4.4.3 Kết quả đo đạc độ lợi trên anten thực tế .............................................. 76

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 81

5.1 Kết luận .................................................................................................... 81

HVTH: Võ Hồng Ngân

5.2 Đề nghị ..................................................................................................... 81

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

DANH SÁCH HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ............................................. 4

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1] ..................................................... 6

Hình 2.2: Mô hình đường truyền sóng ..................................................................... 9

Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1] .................. 11

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1] ................................................... 13

Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1] ........................................... 14

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1] .... 14

Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính ............................................ 16

Hình 2.8: Sự quay của vector điện trường .............................................................. 20

Hình 2.9: Các loại phân cực [2] ............................................................................. 21

Hình 2.10: Độ rộng băng thông ............................................................................. 22

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................ 24

Hình 3.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn [1] ...................... 26

Hình 3.2: a. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải, b. Mạch điện tương đương ......... 27

Hình 3.3: a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục, b. Mạch điện tương đương .................. 28

Hình 3.4: Hình dạng của Mini - coaxial ................................................................. 29

Hình 3.5: a. Tiếp điện bằng cách ghép khe, b. Mạch điện tương đương ................. 30

Hình 3.6: a. Tiếp điện bằng ghép đôi lân cận, b. Mạch điện tương đương .............. 30

Hình 3.7: Tường bức xạ E và H của antenna vi dải [1] .......................................... 31 Hình 3.8: Anten vòng xoay dẫn nạp một góc 45o ................................................... 32

Hình 3.9 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [8] ................................................. 34

Hình 3.10: Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [8] .............. 34

Hình 3.11: Các dạng ghép kí sinh [8] ..................................................................... 35

Hình 3.12: Tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U [8] ................................. 36

Hình 3.13. Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L [8] ......... 36

Hình 3.14: (a) Đường vi dải [1], (b) Các đường điện trường [1] ............................ 37

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 3.15: Trường phân bố [1] .............................................................................. 38

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.16: Mật độ điện tích và dòng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [1] .............. 39

Hình 3.17: Các dạng tấm bức xạ anten vi dải ......................................................... 42

Hình 3.18: Một vài dipole mạch in và vi dải [8] ..................................................... 43

Hình 3.19: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện [8] .................................. 43

Hình 3.20: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [8] .................................. 44

Hình 3.21 : Biên độ và pha của anten vòng tròn nhỏ [1] ........................................ 46

Hình 3.22: Độ định hướng của anten vòng khi θ = 0, π [1] .................................... 46

Hình 3.23: Trở kháng ngõ vào của anten vòng tròn [1] ......................................... 48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC ............................................................. 49

Hình 4.1: Anten vòng tham khảo [3] ...................................................................... 49

Hình 4.2: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu ....................................................... 50

Hình 4.3: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu ....................................................... 50

Hình 4.4: Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS ................................................. 53

Hình 4.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten ........................................................ 53

Hình 4.6: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten .......................................... 54

Hình 4.7: Đồ thị bức xạ của anten .......................................................................... 54

Hình 4.8: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 ..................................................................... 55

Hình 4.9: Tỷ số sóng đứng (VSWR) ...................................................................... 55

Hình 4.10: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) .................................................................. 56

Hình 4.11: Phân bố dòng điện của anten 1 ............................................................. 56 Hình 4.12: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45o ........................................... 57

Hình 4.13: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi không xoay dẫn nạp ...................................... 57 Hình 4.14: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 90o ........................................... 58

Hình 4.15: Anten cắt khe cải thiện băng thông....................................................... 59

Hình 4.16: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten khi cắt khe .................................... 59

Hình 4.17: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten khi cắt khe ...................... 60

Hình 4.18: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi cắt khe ................................................ 60

Hình 4.19: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten khi cắt khe .................................. 61

Hình 4.20: Tỷ số sóng đứng (VSWR) của anten khi cắt khe .................................. 61

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.21: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten khi cắt khe ................................ 62

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 4.22: Phân bố dòng điện của anten khi cắt khe .............................................. 62

Hình 4.23: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi anten cắt khe ................................................. 63 Hình 4.24: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o ................................................... 63

Hình 4.25: Độ lợi của anten cắt khe nhỏ ................................................................ 64

Hình 4.26: Độ định hướng của anten cắt khe nhỏ .................................................. 64

Hình 4.27: Đồ thị bức xạ của anten cắt khe nhỏ ..................................................... 65

Hình 4.28: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten cắt khe nhỏ ................................. 65

Hình 4.29: Tỷ số sóng đứng của anten cắt khe nhỏ ................................................ 66

Hình 4.30: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten cắt khe nhỏ ................................ 66

Hình 4.31: Phân bố dòng điện của anten cắt khe nhỏ ............................................. 67

Hình 4.32: Đồ thị trường Eθ, Eϕ của anten khi cắt khe nhỏ .................................... 67

Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế ......................................................................... 72

Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11 ...................................................................... 73

Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22 ...................................................................... 73

Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33 ...................................................................... 74

Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21 ....................................................................... 74

Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31 ....................................................................... 75

Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32 ....................................................................... 75

Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải

tần 100 MHz – 8 GHz ........................................................................................... 76

Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải

tần 2-3GHz ............................................................................................................ 76

Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tại tần số 2.44 GHz ................................ 78

Hình 4.43: Đo anten vòng tại tần số 2.44 GHz ....................................................... 78

Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng .............. 79

Hình 4.45: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền thẳng

LOS (Line-Of-Sight) ............................................................................................. 80

Hình 4.46: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền có che

chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight) .......................................................................... 80

vii

HVTH: Võ Hồng Ngân

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 81

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

DANH SÁCH BẢNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ............................................. 4

Bảng 2.1: Quy ước về các dải tần số ...................................................................... 23

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................ 24

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC ............................................................. 49

Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi bán kính vòng ............... 68

Bảng 4.2: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi độ dày của vòng anten .. 69

Bảng 4.3: Thống kê kết quả mô phỏng anten vòng khi thay đổi đường kính mặt

phản xạ. ................................................................................................................. 70

Bảng 4.4: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách giữa tấm tấm

bức xạ và mặt phản xạ. .......................................................................................... 70

Bảng 4.5: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách từ tâm đến

từng anten vòng ..................................................................................................... 71

Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ của anten lưỡng cực nửa sóng và anten vòng .... 78

viii

HVTH: Võ Hồng Ngân

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 81

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Access Point AP

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

Global System for Mobile communication GSM

Digital Communication System DCS

Personal Communication System PCS

Universal Mobile Telecommunication System UMTS

Circular Microtrip Patch Antenna CMPA

Circular Microstrip Patch CMP

Radio Frequency RF

Voltage Standing Wave Ratio VSWR

Standing Wave Ratio SWR

Equivalent Isotropically Radiated Power EIRP

Clockwise CW

Counterclockwise, CCW

Half-Power BeamWidth HPBW

First Null BeamWidth FNBW

Bandwidth BW

Finite Diference Time Domain FDTD

Transverse Electric Magnetic TEM

HVTH: Võ Hồng Ngân

Microstrip Patch Antenna MPA

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh



DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU



Phi

Theta

Biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m)

Biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m)

E

Điện trường theo phi

E ε

Điện trường theo theta

Hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m)

μ Hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

σ Điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

A 2m

e

Biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( )

C 3m

Là mật độ khối của điện tích. ( )

λ Bước sóng [m]

f Tần số tín hiệu [Hz]

Hằng số điện môi hiệu dụng εeff

Vận tốc truyền sóng [m/s]

v c= 3.108 m/s Vận tốc ánh sáng

Trở kháng đặc tính Z0

Trở kháng đường dây truyền sóng R0

Trở kháng tải ZL

Γ Hệ số phản xạ

Điện thế và dòng điện sóng phản xạ Vr và Ir

Điện thế và dòng điện sóng tới Vi và Ii

Công suất đi đến tải Pt

Công suất phản xạ Pr

Điện áp và dòng điện cực đại không đổi trên đường dây Vmax, Imax

Điện áp và dòng điện cực đại không đổi trên đường Vmin, Imin

HVTH: Võ Hồng Ngân

VSWR Tỷ số sóng đứng điện áp (Voltage Standing Wave Ratio)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Điện áp và dòng điện đặt vào anten UA, IA

Trở kháng vào của anten ZA

Dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

D Độ định hướng (directivity)

Độ định hướng cực đại (maximum directivity) D0

U Cường độ bức xạ (radiation intensity) [W/Sr]

Cường độ bức xạ cực đại (maximum radiation intensity) [W/Sr] Umax

Cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr] U0

Công suất bức xạ [W] Prad

Độ lợi

Hiệu suất

Kích thước lớn nhất của anten Vector Poynting tức thời (W/m2)

Cường độ điện trường tức thời (V/m)

Cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất tức thời (W)

Vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt Vi phân diện tích của bề mặt (m2) Là mật độ bức xạ (W/m2) Wrad

EIRP Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent Isotropically

Radiated Power)

Công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten PT

Hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính GT

Hiệu suất phân cực anten ep

e Hiệu suất bức xạ của anten

Hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa anten và er

đường dây truyền sóng)

Trở kháng vào của anten Zin

Trở kháng đặc tính của dây truyền sóng Z0

HVTH: Võ Hồng Ngân

Exo và Eyo Biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục x và y.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

BW Băng thông của anten (Bandwidth)

fmax, fmin, f0 Tần số cao nhất, tần số thấp nhất và tần số trung tâm của băng thông

Δf Độ rộng băng

f Tần số hoạt động

h Độ dày điện môi

r

Hằng số điện môi của chất nền

W Độ rộng của tấm tấm bức xạ

eff

Suy hao hốc cộng hưởng được tính toán bằng (effective loss tangent)

Hệ số đặc tính tổng thể của anten

Hệ số đặc tính của chất điện môi

r

Tần số góc cộng hưởng

Năng lượng tổng cộng khi anten cộng hưởng WT

Chất điện môi tổn hao Pd

tan Loss tangent của chất điện môi

Hệ số đặc tính của chất dẫn

Công suất tổn hao chất dẫn PC



Độ dày lớp da của dây dẫn

Mô tả đặc tính của sự bức xạ

Là bán kính hiệu dụng của tấm tấm bức xạ [m] ae

a Là bán kính của tấm tấm bức xạ [m]

h Là độ dày của lớp điện môi [m]

S11, S22, S33 Tổn hao phản xạ (Return Loss)

S21, S31, S32 Cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports)

Khoảng cách giữa tấm bức xạ và tấm phản xạ h1

iii

HVTH: Võ Hồng Ngân

Độ dày lớp điện môi h2

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 1: GIỚI THIỆU

1. 1 Đặt vấn đề

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây,

bên cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan

tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten như độ bền, trọng lượng anten

phải nhẹ, kích thước anten phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu. Các

anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) có các ưu điểm hấp

dẫn như kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point

(AP) hay các thiết bị di động. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng đã

thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten.

Và thực tế cho thấy trong truyền thông không dây thì sóng vô tuyến lan

truyền không chỉ theo hướng trực tiếp mà còn theo nhiều hướng khác nhau qua quá

trình phản xạ, tán xạ… rất phức tạp, nên đường truyền của sóng vô tuyến có thể bị

thay đổi đáng kể. Bên cạnh đó, các hệ thống truyền thông không dây hiện đại với

tốc độ truyền dữ liệu cao hơn giới hạn băng tần các kênh. Chi phí phải trả để tăng

tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không

gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý tín hiệu

nhiều chiều cũng tăng lên. Từ đó để tăng hiệu quả truyền nhận cũng như dung

lượng kênh truyền của hệ thống thì việc sử dụng loại anten phân cực kép (dual

polarization), có nhiều port vào ra cho hệ thống MIMO (multiple-input-multiple-

output) thật sự là vấn đề bức thiết nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên

cứu.

Xuất phát từ vấn đề thực tế trên đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế một

anten phân cực kép (tốt ở phân cực dọc và ngang) cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4

GHz, cụ thể là anten vi dải dạng vòng có đặc tính phân cực kép (bằng cách xoay

điểm dẫn nạp) với tấm tấm bức xạ hình tròn đã được cải tiến trên nền mạch in FR-4,

cùng với mặt phản xạ bằng nhôm với kích thước thích hợp cộng hưởng tại tần số

2.44 GHz. Bên cạnh đó, do hạn chế của anten vi dải là băng thông hẹp nên đề tài sẽ

cải thiện băng thông để anten có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng hơn. Kết quả

mô phỏng trên máy tính (các thông số tán xạ S11, S22, S33, S21, S31, S32) được so sánh

HVTH: Võ Hồng Ngân

với kết quả đo đạc thực tế. Độ lợi của anten cũng được kiểm chứng thực tế thông

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

qua việc đo đạc và so sánh sử dụng anten có độ lợi 2 dBi và một Access point

WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng.

1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề

Anten vi dải là loại anten được đề xuất đầu tiên bởi G. A. Deschamps vào

năm 1953, sau đó nhanh chóng được phát triển điển hình như: Saou-Wen Su,

Cheng-Tse Lee thiết kế anten phân cực kép ở tần số 2,4 GHz và 5 GHz, Dau-Chyrh

Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hiệu suất cao…

Cùng với các loại anten khác thì anten vi dải phân cực kép được xem là một

trong các giải pháp để làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath

fading) và đặc biệt phù hợp khi không gian có hạn vì có thể phát dữ liệu trên một

phân cực và thu anten trên một phân cực khác một cách đồng thời. Do đó có nhiều

bài báo giới thiệu về các loại anten phân cực kép đã được công bố trong thời gian

qua điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten vòng phân cực kép

với hai vòng cộng hưởng ở hai tần số khác nhau, Saou-Wen Su với anten phân cực

kép sử dụng vòng vuông có phần điều chỉnh phân cực. Từ lịch sử phát triển nên tác

giả chọn đề tài thiết kế một anten phân cực kép, có độ lợi cao, băng thông tương đối

rộng, tiếp điện bằng cáp đồng trục với ba ngõ vào ứng dụng cho hệ thống WLAN

dải tần 2.4 GHz làm mục tiêu nghiên cứu.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng của đề tài là thiết kế, mô phỏng ba anten vi dải dạng vòng lưỡng

cực có ba port in trên chất nền FR4 tròn hoạt động ở dải tần 2.4 GHz. Ba anten vi dải này sắp xếp xoay vòng trên bề mặt với một góc nghiêng bằng 120o để tạo thành

một cấu trúc đối xứng sử dụng trong hệ thống MIMO WLAN. Các anten này cùng

chia sẻ dẫn nạp và nối đất chung thông qua một đoạn cáp đồng trục nhỏ (Mini-

coaxial). Sau quá trình mô phỏng là quá trình thi công, đo đạc và đánh giá kết quả.

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, đặc tính phân cực kép của các

HVTH: Võ Hồng Ngân

anten vi dải. Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, tiến hành thiết kế cấu trúc, sau đó

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

mô phỏng để tối ưu các kích thước. Cuối cùng tiến hành thiết kế một anten thực tế

có ba port với mặt phản xạ bằng nhôm và hoạt động ở dải tần 2.4 GHz.

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết

Đề tài tập trung vào lĩnh vực thiết kế anten nên điều quan trọng trước hết là

cần nắm rõ các kiến thức về trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật anten

truyền sóng… nghiên cứu về các thông số cơ bản của anten, tìm hiểu anten vi dải,

các đặc tính của anten vi dải, cũng như cách tính toán các thông số cho anten. Xác

định rõ các thông số kỹ thuật của tấm mạch in chế tạo anten cũng là điều rất quan

trọng.

Tìm hiểu chương trình mô phỏng Ansoft HFSS 13.0.2, cách khởi tạo các vật

thể trong HFSS, cách đặt các thông số để mô phỏng và xem kết quả. Sau đó tiến

hành thiết kế cấu trúc anten 3D và mô phỏng trên phần mềm, trong quá trình mô

phỏng cần thống kê các kết quả mô phỏng, xem xét sự thay đổi các thông số của

anten, ảnh hưởng qua lại của việc điều chỉnh kích thước anten với kết quả mô

phỏng để tiện cho việc điều chỉnh sau này.

Tiến hành thiết kế anten thực tế khi thấy các kết quả mô phỏng đạt yêu cầu.

Dùng máy đo chuyên dụng để đo đạc anten thực tế từ đó so sánh với kết quả mô

phỏng. Xem xét và điều chỉnh anten sao cho thỏa mãn và phù hợp các yêu cầu trong

HVTH: Võ Hồng Ngân

thực tế. Bước cuối cùng là hoàn chỉnh anten và đem ứng dụng vào thực tế.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN

2.1 Giới thiệu chung về anten

Thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài

được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự

do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong Hình 2.1. Thông thường

giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực

tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là

feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần.

Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder tới anten phát dưới dạng sóng điện từ

ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên

ngoài và biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này được truyền theo feeder

tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và

biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Vì

vậy, anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến

điện, đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin

liên lạc.

Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng

có loại rất phức tạp [1]. Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:

 Anten đường (Wire Antennas): là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi

nơi như ô tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, ...Nó gồm anten đường thẳng (anten

lưỡng cực), anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix). Trong đó anten vòng không

những có dạng tròn mà còn ở dạng vuông, chữ nhật, ellip,... nhưng anten vòng tròn

thì được sử dụng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản.

 Anten góc mở (Aperture Antennas): nó có dạng như hình nón, hình kim tự

tháp hay ống dẫn sóng. Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trước đây vì nhu cầu

hình thức anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn. Loại anten

này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ.

 Anten vi dải (Microstrip Antennas): anten này gồm một miếng kim loại

mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi. Miếng kim loại có thể có

nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn,... Anten

HVTH: Võ Hồng Ngân

này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm

tay,...

 Anten dãy (Array Antennas): nhiều ứng dụng đòi hỏi các đặc tính bức xạ

mà không thể đạt được ở một anten duy nhất. Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc

tính bức xạ của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả

mong muốn.

 Anten phản xạ (Re ector Antennas): do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng

cách lớn, hình thức anten tinh vi đã được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi

hàng triệu dặm. Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc.

 Anten ống kính (Lens Antennas): ống kính được sử dụng chủ yếu để chuẩn

trực năng lượng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hướng không mong

muốn. Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ

có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lượng khác nhau vào sóng mặt.

Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hướng

(Omni-Directional) và anten định hướng (Directional). Anten vô hướng là anten

truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hướng theo trục ngang (song

song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín

hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với

hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu được tín

hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết.

Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một

,G 

và độ lợi . hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng ,D 

,D 

mô tả kiểu bức xạ.

,G 

HVTH: Võ Hồng Ngân

cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ).

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1]

2.2 Hệ phương trình Maxwell

Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của

điện động lực học đó là các phương trình Maxwell.

ie  t

tcos

tsin

Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa

 E



  t i )

cos(

 t

)

theo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn quy luật , dưới dạng phức

Re(  E



Im(

  t i )

sin(

 t

)

(2.1a)

hoặc (2.1b)

 iHrot

 JE

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

  p

Erot

 Hi

(2.2a)

Ediv 

(2.2b)

e 

0Hdiv

(2.2c)

E là biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m)

H là biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m)



(2.2d)

 

    

  

(2.3)

HVTH: Võ Hồng Ngân

(hệ số điện thẩm phức của môi trường)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

ε : hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m)

μ : hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

eJ : là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (

σ : điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

A 2m

e : là mật độ khối của điện tích. (

)

C 3m

)

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong

một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta

đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm

dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.

iHrot

 JE

Hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết lại như sau:

  p

mJHiErot  



(2.4a)

Ediv 

(2.4b)

m 

Hdiv



(2.4c)

e 

(2.4d)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H. Trong phương trình

nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền.

2.3 Đặc tính bức xạ điện từ của anten

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường

hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức

xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.

Để hiểu rõ hơn về đặc tính bức xạ điện từ của anten ta xét ví dụ sau: một

mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu

đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát

sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ

trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc

HVTH: Võ Hồng Ngân

với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong

lòng cuộn cảm.

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và

tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên

ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng

cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các

đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng

phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo

quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến

đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng

điện từ.

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự

do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ

ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.

2.4 Đặc tính của đường dây truyền sóng

Để thiết kế một thiết bị siêu cao tần, việc đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt

nhất, chúng ta cần phải hiểu rõ các thông số đặc tính của đường dây truyền sóng.

2.4.1 Bước sóng (Wavelenght)

Bước sóng là khoảng cách sóng vô tuyến truyền đi trong một chu kì. Công





thức tính bước sóng theo tần số:

v f

c  eff

(2.5)

Trong đó:

λ: bước sóng [m].

eff

f : tần số tín hiệu [Hz].

: hằng số điện môi hiệu dụng.

[m/s].

v : vận tốc truyền sóng c = 3.108 m/s (chính xác c = 299.792.458 m/s) vận tốc truyền sóng trong

HVTH: Võ Hồng Ngân

không gian hay vận tốc ánh sáng.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Xét một tần số nào đó thì vận tốc truyền sóng trong các môi trường khác sẽ

nhỏ hơn vận tốc truyền sóng trong không gian. Do hằng số điện môi của các môi

trường khác thường lớn hơn hằng số điện môi của môi trường chân không vì thế

bước sóng sẽ ngắn hơn. Điều này tạo một lợi thế cho việc chế tạo các anten trên

mạch in. Ví dụ: xét tần số WLAN là 2.4 GHz thì bước sóng trong không khí λ0 ≈

125 mm, bước sóng trên tấm mạch in FR-4 λ là khoảng 66 mm.

2.4.2 Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance)

Trở kháng đặc tính Z0 là tỉ số điện áp và dòng điện tại các điểm cách đều



....



cons

tan

nhau dọc theo đường truyền.

V 1 I

V I

V n I

(2.6)

Hình 2.2: Mô hình đường truyền sóng

Trong trường hợp tổng quát, Z0 là một đại lượng phức, biến đổi theo tần số

và phụ thuộc vào cấu trúc đường truyền. Nhưng phần lớn các đường dây truyền

sóng được giả sử có trở kháng đặc tính Z0 = R0 là một hằng số thực. Ta thường gặp

các đường dây truyền sóng có trở kháng R0 = 50Ω, R0 = 75Ω, R0 = 300Ω hoặc R0 =

600Ω.

2.4.3 Phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng là cách để truyền tải tối đa công suất từ nguồn tới tải.

Đường dây được phối hợp trở kháng khi trở kháng tải ZL bằng với trở kháng đặc

tính của đường dây Z0, ngược lại khi ZL ≠ Z0 đường dây bị mất phối hợp trở kháng.

Giá trị giữa ZL và Z0 càng khác xa nhau thì sự mất phối hợp trở kháng càng lớn. Để

truyền tín hiệu có hiệu quả thì trở kháng của anten và trở kháng của cáp truyền dẫn

phải giống nhau. Thông thường sử dụng cho WLAN, người ta thiết kế trở kháng có

HVTH: Võ Hồng Ngân

giá trị là 50Ω.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

2.4.4 Hệ số phản xạ (Γ)

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm bất kỳ trên đường dây truyền sóng là tỷ

số giữa sóng điện áp phản xạ với sóng điện áp tới tại điểm đó. Hệ số phản xạ điện





áp cũng bằng với hệ số phản xạ dòng điện.

I I

V r V i

(2.7)

Trong đó:

Γ: hệ số phản xạ.

Vr và Ir: điện thế và dòng điện sóng phản xạ.

Vi và Ii : điện thế và dòng điện sóng tới.

Ngoài ra, hệ số phản xạ còn được tính dựa vào trở kháng tải ZL và trở kháng

đặc tính của đường dây Z0 hoặc tỉ số giữa công suất đi đến tải Pt với công suất phản





Z Z

 

Z Z

P t P r

xạ Pr.

(2.8)

2.4.5 Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng

Hiện tượng sóng đứng (Standing wave): khi sóng truyền trên một đường

truyền mà tải không phối hợp trở kháng, sẽ có sóng phản xạ từ tải về nguồn. Với

nguồn tín hiệu hình sin với một tần số cố định, sóng tới và sóng phản xạ sẽ có hiện

tượng giao thoa. Tại điểm tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ đồng pha, biên độ sóng

tổng hợp bằng tổng biên độ 2 thành phần, nó đạt giá trị cực đại và ta gọi nó là điểm

bụng sóng. Tại điểm tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ ngược pha, biên độ sóng

tổng hợp bằng hiệu biên độ 2 thành phần, nó đạt giá trị cực tiểu và ta gọi nó là điểm

nút.

Tỷ số sóng đứng điện áp VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) thường gọi

tắt là tỉ số sóng đứng SWR (Standing Wave Ratio) là tỉ số giữa biên độ cực đại và

biên độ cực tiểu của điện áp tổng hoặc dòng điện tổng. Tỉ số sóng đứng thường

được định nghĩa cho đường truyền không tổn hao. Khi đó các giá trị biên độ Vmax,



max

VSWR



Vmin, Imax, Imin có giá trị không đổi trên suốt chiều dài của đường dây.

V V

I I



min

HVTH: Võ Hồng Ngân

(2.9)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

2.4.6 Tổn hao phản xạ (Return loss)

Tổn hao phản xạ là một cách khác để biểu diễn cho sự mất phối hợp trở

kháng. Nó được dùng để so sánh công suất phản xạ từ anten với công suất của máy

turn

loss

(

)



log



log

phát. Công thức xác định tổn hao phản xạ:

P i P r

(2.10)

2.5 Các thông số đặc trưng của anten

2.5.1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số

giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten.





Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1]

U I

(2.11)

Với RA = RL + Rr

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của

anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.

Thành phần thực của điện trở vào RA được xác định bởi công suất đặt vào

anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

R  A

P A I

(2.12)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính

phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số

HVTH: Võ Hồng Ngân

trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

2.5.2 Hệ số định hướng và độ tăng ích

 Hệ số định hướng

Bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ thu được nếu công suất đưa

vào anten được bức xạ đúng hướng (Isotropic). Độ định hướng của anten được định

nghĩa như là tỉ số của của cường độ bức xạ ở một hướng cho trước trên cường độ

bức xạ trung bình ở mọi hướng. Trong trường hợp không đề cập đến hướng cụ thể



thì được hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực đại.

U U

4 U radP

max



(2.13)

D 0

max

U max U

4 U radP

(2.14)

Trong đó: D: độ định hướng (directivity).

D0: độ định hướng cực đại (maximum directivity).

U: cường độ bức xạ (radiation intensity) [W/Sr].

Umax: cường độ bức xạ cực đại (maximum radiation intensity) [W/Sr].

U0: cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr].

Prad: tổng công suất bức xạ [W].

 Độ tăng ích (Độ lợi)

Độ lợi của anten G là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho

trước và cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đúng hướng

  ),(

(isotropic).

 ,( ) inP

 ),(



 ),(

(2.15)

. Nếu anten không tổn hao, Pin = Prad thì

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa dây truyền sóng và

anten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên anten (do điện môi, sai phân cực), công

suất bức xạ (Prad) của anten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (Pin):

P  rad P in

. Vì vậy trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng.

Để biểu diễn mối quan hệ giữa Pin và Prad người ta dùng khái niệm hiệu suất

e 

bức xạ. Kí hiệu e.

P rad P in

HVTH: Võ Hồng Ngân

, e ≤ 1 (2.16)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 ),(



 ),(

=> (2.17)

Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi là dBi (độ lợi của anten định hướng) hay

dBd (độ lợi của anten half wave dipole). Để chuyển đổi từ dBd sang dBi ta chỉ cần

cộng thêm 2.2 vào dBd để được dBi.

2.5.3 Giản đồ bức xạ (Radiation pattern)

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một

giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể

hiện các đặc tính định hướng của anten. Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa

như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của

anten, và là hàm của các tọa độ không gian”. Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ

bức xạ được xét ở trường xa. Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ

trong không gian hai chiều (2D) hay ba chiều (3D). Sự phân bố đó là hàm của vị trí

quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi. Hệ tọa độ cực

thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong Hình 2.4.

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]

 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các

hướng. Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng

HVTH: Võ Hồng Ngân

người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

anten thực. Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ

mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lạ“.

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong Hình



2.5. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa

  f ,

   2 

const

vector H (azimuth plane) với và hướng tính trong mặt phẳng chứa

      ,

vector E (elevation plane) với





Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1]

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và

hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector

từ trường và hướng bức xạ cực đại”. Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten

thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong

các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z). Một ví dụ được thể hiện trong

0 ) là mặt phẳng E và mặt phẳng

Hình 2.6. Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với

x-y (với θ = π/2 ) là mặt phẳng H.

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1] 14

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của

anten. Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng dọc được

đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và

song song với mặt đất. Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác

nhau. Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan

trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn. Búp sóng càng hẹp thì độ

lợi càng cao.

Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10

dB so với giá trị cực đại. Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng

hay còn gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên

và thùy sau. Hình 2.7a minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ.

Một vài thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác. Nhưng tất cả chúng đều

được gọi là các thùy. Hình 2.7.a thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của Hình

2.7.b).

HVTH: Võ Hồng Ngân

(a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten [1]

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

(b). Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó [1]

Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính): Được định nghĩa là thùy chứa

hướng bức xạ cực đại. Trong Hình 2.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ = 0. Có

thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính.

Thùy phụ: là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính. Thông thường, thùy bên

là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính. Thùy sau là thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180o so với thùy chính.

Thùy phụ thường định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với thùy chính.

Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng không mong muốn, và chúng

phải được tối thiểu hóa. Thùy bên thường là thùy lớn nhất trong các thùy phụ. Cấp

của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất theo hướng của thùy đó

với mật độ công suất của thùy chính. Tỷ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp

thùy bên.

2.5.4 Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ

 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin qua môi trường vô tuyến

hay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác. Đại lượng được sử dụng để mô tả

năng lượng kết hợp với sóng điện từ là vector Poynting tức thời được định nghĩa

như sau:

(2.18)

HVTH: Võ Hồng Ngân

Trong đó: : vector Poynting tức thời (W/m2)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

: cường độ điện trường tức thời (V/m)

: cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách tích phân thành

phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó. Phương trình

là:

(2.19)

Trong đó, : tổng công suất tức thời (W)

: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt : vi phân diện tích của bề mặt (m2)

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung

bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ. Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng ejωt , ta định nghĩa các

trường phức E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời và bởi

công thức:

(2.20)



j 

t 

j 





* eE

(2.21)

Do nên 2.18 được viết lại là:

 eERe



 eE

1 2

 



(2.22)

Thành phần đầu tiên của (2.22) không biến đổi theo thời gian, và thành phần

thứ hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước. Vector

Poynting trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viết

lại là:

(2.23)

1 2

Thành phần xuất hiện trong (2.22) và (2.23) bởi vì các trường E và H tính

theo biên độ.

Dựa trên định nghĩa (2.23), công suất trung bình bức xạ bởi anten (công suất

HVTH: Võ Hồng Ngân

bức xạ) có thể được định nghĩa là:

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

(2.24)

Cường độ bức xạ

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “năng

lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc”. Cường độ bức xạ là tham số

trường xa, và được tính bằng cách đơn giản là nhân mật độ bức xạ với bình phương

của khoảng cách.

(2.25.a) U = r2 Wrad

Trong đó: U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc).

Wrad là mật độ bức xạ (W/m2).

Cường độ bức xạ cũng có quan hệ với điện trường trong trường xa của anten

bởi:

(2.25.b)

Trong đó: η là trở kháng sóng của môi trường.

là cường độ điện trường trong trường xa của anten.

là các thành phần điện trường trong trường xa của anten.

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ. Do

đó:

(2.26)

Trong đó: là một vi phân góc đặc.

2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công

HVTH: Võ Hồng Ngân

suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

xạ đẳng hướng tương đương. Ký hiệu là EIRP (Equivalent Isotropically Radiated

EIRP 

Power)

T GP T

(W) (2.27)

Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ số

tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy

phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. Công suất bức xạ đẳng hướng

là công suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT

= 1. Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn.

2.5.6 Hiệu suất của anten (et)

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng nên ta cần quan tâm

đến hiệu suất của anten để có thể đánh giá chính xác hiệu quả cũng như tổn hao về

công suất mà anten mang lại. Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa công suất bức



e 

xạ Prad và công suất máy phát đưa vào anten Pin.

 0

1

P rad P in

(2.28)

Hiệu suất tổng của anten được sử dụng để đánh giá tổn hao năng lượng trên anten.

(2.29) et = ep.er.e

Trong đó: ep: hiệu suất phân cực anten.

e: hiệu suất bức xạ của anten.

er: hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa



(2.30) anten và đường dây truyền sóng). er = 1-|Γ|2

Z Z

 

Z Z

Với Γ là hệ số phản xạ ở ngõ ra: (2.31)

Zin: trở kháng vào của anten.

Z0: trở kháng đặc tính của dây truyền sóng.

HVTH: Võ Hồng Ngân

(2.32) Nếu không có tổn hao trong phân cực thì hiệu suất tổng được xác định bởi: et = e.(1-| Γ |2)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

2.5.7 Tính phân cực của anten

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là

phân cực của sóng được truyền đi bởi anten. Chú ý: khi không đề cập tới hướng

nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số độ lợi cực đại”.

Sự phân cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện

trường tức thời, và hướng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền

sóng. Một đường vạch theo bởi đầu mút của vector điện trường là hàm của thời gian

được thể hiện trong Hình 2.8.

Hình 2.8: Sự quay của vector điện trường

Các loại phân cực:

Phân cực phân thành 3 loại: thẳng (tuyến tính), tròn và ellip. Các loại phân

cực được thể hiện ở Hình 2.9.

Nếu đầu mút vector điện trường ở một điểm trong không gian luôn hướng

theo một đường thẳng, trường này được gọi là phân cực tuyến tính. Trong đó phân

cực dọc và phân cực ngang là những hình thức đơn giản nhất của phân cực antenna

và cả hai đều rơi vào một loại là phân cực tuyến tính. Trường hợp đặc biệt của phân

cực tuyến tính là đặc tính phân cực kép trong đó anten hoạt động ở phân cực dọc

cũng tốt như ở phân cực ngang [3-6].

Một cách tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra là một hình ellip, và

HVTH: Võ Hồng Ngân

trường được gọi là phân cực ellip. Phân cực tuyến tính và tròn là trường hợp đặc

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

biệt của phân cực ellip. Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ

CW (clockwise) gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ CCW

(counterclockwise) gọi là phân cực trái.

Hình 2.9: Các loại phân cực [2]

2.5.8 Dải tần của anten

Băng thông của anten BW (Bandwidth) được định nghĩa như sau: “khoảng

tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định”. Băng

thông có thể được xem xét là khoảng tần số về hai bên của tần số trung tâm (thường

là tần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản

đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất

bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được.

Thông thường dải thông của anten được tính bằng Hz, xác định khi tỉ số sóng

đứng nhỏ hơn 2:1 hoặc Return Loss nhỏ -10 dB. Đối với các hệ thống cần độ ổn

định cao thì dải thông được xác định khi tỉ số sóng đứng nhỏ hơn 1,5:1. Các loại

anten khác nhau thì có giới hạn dải thông khác nhau.

max

BW 

Đối với anten băng rộng, dải thông của anten được tính theo công thức:

f f

min

(2.33)

Dải thông cũng có thể tính bằng phần trăm của tần số trung tâm, đối với

max

min



%100.

anten băng hẹp:

 f

(2.34)

Trong đó, fmax, fmin và f0 lần lượt là tần số cao nhất, tần số thấp nhất và tần số

HVTH: Võ Hồng Ngân

trung tâm của băng thông.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

max

min

. f



f  0

max

min

 2

Thông thường hoặc

Dải tần của anten được chia làm 4 nhóm:



%10

1.1

a. Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

f  f

f f

max  min

hay (2.35)

%10



%50

1.1



5.1

b. Anten dải tần tương đối rộng:

f  f

f f

max  min

hay (2.36)

5.1



c. Anten dải tần rộng:

f f

max  min

(2.37)

d. Anten dải tần siêu rộng:

f f

max  min

 f



(2.38)

min

max

Trong đó:

Hình 2.10: Độ rộng băng thông

2.6 Các hệ thống anten

Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,

anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh.

Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.

Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng

HVTH: Võ Hồng Ngân

vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz).

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.

Bảng 2.1: Quy ước về các dải tần số

Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng

3Hz -3 KHz Very low Frequency Dùng cho hệ thống an ninh, quân

(VLF) sự, chuyên dụng, thông tin dưới

nước (tàu ngầm).

30-300 KHz Low Frequency (LF) Dùng cho dẫn đường hàng hải và

hàng không.

300-3000 KHz Medium Frequency (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm

thông tin duyên hải, tìm kiếm

3-30 MHz High Frequency (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh

sóng ngắn, hàng hải, hàng không

30-300 MHz Very High Frequency TV, phát thanh FM, điều khiển giao

(VHF) thông, cảnh sát, taxi

300-3000 Ultra High Frequency Tivi, thông tin vệ tinh, do thám,

MHz (UHF) radar

3-30 GHz Super High Frequency Hàng không, vi ba, thông tin di

động (SHF)

30-300 GHz Extremly High Frequency Radar, nghiên cứu khoa học

HVTH: Võ Hồng Ngân

(EHF)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 3: ANTEN VI DẢI

3.1 Giới thiệu

Anten Microstrip nhận được sự chú ý đáng kể bắt đầu từ những năm 1970,

mặc dù ý tưởng của anten microstrip có thể được bắt đầu từ năm 1953 và bằng sáng

chế vào năm 1955. Các anten vi dải trong thực tế được phát triển cho việc sử dụng ở

tần số từ 400 MHz tới 38 GHz và nó có thể kỳ vọng các kĩ thuật tiên tiến để mở

rộng đến 60 GHz.

Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ,

giá thành thấp, và đặc biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên

anten vi dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như

anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh, trong các ứng dụng

hiệu năng cao như máy bay, tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa… trong đó kích cỡ, trọng

lượng, giá cả, là những điều ràng buộc thì một anten low profile được yêu cầu.

Để đáp ứng nhu cầu này, anten vi dải (microstrip antenna) có thể được sử

dụng. Hiện nay, có nhiều lĩnh vực đã ứng dụng kĩ thuật anten vi dải như thông tin di

động và truyền thông không dây (wireless communication). Các anten low profile,

phù hợp với các bề mặt phẳng và không phẳng, đơn giản và rẻ tiền để sản xuất bằng

cách sử dụng công nghệ mạch in, khả năng tương thích cao với các thiết kế MMIC

(Monolithic microwave integrated circuit). Khi các hình dạng anten cũng như loại

anten được chọn thì cần linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực, đồ thị bức xạ và

trở kháng của anten v.v… Ngoài ra, với kỹ thuật ngày càng hiện đại, người ta có thể

thêm các tải vào giữa tấm tấm bức xạ và mặt phẳng đất (ground plane) như các chip

điện trở, diode chỉnh lưu, diode điện dung… làm cho anten hoạt động với tần số

cộng hưởng, trở kháng, phân cực và đồ thị bức xạ theo chủ ý của người thiết kế.

Bên cạnh những thuận lợi anten microstrip tồn tại một số bất lợi như hiệu

năng thấp, công suất nhỏ, độ tinh khiết phân cực thấp, hiệu suất quét thấp, bức xạ

nhiễu của đường tiếp tín hiệu và băng tần rất hẹp (thường là một phần nhỏ của một

phần trăm hoặc nhiều nhất là vài phần trăm). Trong một số ứng dụng, chẳng hạn

như trong các hệ thống an ninh, băng thông hẹp cũng là điều cần thiết. Bên cạnh đó

HVTH: Võ Hồng Ngân

thì cũng có những phương pháp như chọn loại vật liệu nền có hằng số điện môi

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

thích hợp, tăng chiều cao của lớp nền, có thể sử dụng để cải thiện phần nào hiệu

suất và băng thông của anten.

3.2 Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển

Ưu và nhược điểm của anten vi dải

Ưu điểm:

- Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất.

- Có thể phân cực tuyến tính và phân cực tròn.

- Công nghệ chế tạo hoàn toàn phù hợp với các mạch tích hợp cao tần.

- Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất

đồng thời với việc chế tạo anten.

Nhược điểm:

- Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp.

- Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten.

- Có các bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối.

- Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp.

Kết luận:

Mặc dù còn một số nhược điểm những so với các loại anten khác thì anten vi

dải vẫn có nhiều điểm mạnh hơn và phù hợp hơn khi sử dụng trong các hệ thống

WLAN, chúng có thể được thay đổi và điều chỉnh để cho ra đời những anten với

băng thông rộng và độ lợi cao hơn. Đồng thời có thể điều khiển được búp sóng

(anten thông minh) trong các hệ thống WLAN và các ứng dụng khác.

3.3 Cấu tạo

Anten Microstrip như trong Hình 3.1, bao gồm một dải bằng kim loại rất

mỏng (t<<λ0, với λ0 là bước sóng trong chân không) được đặt trên mặt phẳng đất

(ground plane) với chiều cao h nhỏ hơn bước sóng λ0 rất nhiều, thông thường

0.003λ0 ≤ h ≤ 0.05λ0. Đối với tấm tấm bức xạ hình chữ nhật, chiều dài L của phần tử

thường λ0/3< L <λ0/2, tấm tấm bức xạ này được ngăn cách với mặt phẳng ground

HVTH: Võ Hồng Ngân

bởi một lớp điện môi có hằng số điện môi εr.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn [1]

Các thông số cấu trúc cơ bản của anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ

dày chất nền h, hằng số điện môi , và thông số ít ảnh hưởng khác là độ dày lớp dẫn

điện t.

3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu

Anten vi dải đa dạng bởi nhiều phương pháp tiếp điện. Các phương pháp tiếp

điện có thể phân ra làm hai loại: tiếp xúc và không tiếp xúc.

- Tiếp điện dạng tiếp xúc là sóng RF (radio – frequency) được truyền thẳng

đến tấm bức xạ bằng cách sử dụng Microstrip line hay coaxial...

- Tiếp điện dạng không tiếp xúc là sự ghép nối trường điện từ để truyền

HVTH: Võ Hồng Ngân

năng lượng giữa Microstrip line và tấm bức xạ.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Có bốn phương pháp được sử dụng rộng rãi: đường vi dải (Microstrip line),

đầu dò cáp đồng trục (Coaxial Probe), ghép qua lỗ (aperture coupling) và ghép đôi

lân cận (proximity coupling).

3.4.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Với phương pháp này, một dải dẫn điện kết nối trực tiếp với cạnh của tấm

tấm bức xạ. Dải dẫn điện này nhỏ hơn chiều rộng của tấm tấm bức xạ và cấu trúc

này có lợi thế là được tạo ra trên cùng một lớp nền để cung cấp một cấu trúc phẳng.

Dải dẫn điện trong trường hợp này có thể sử dụng để phối hợp trở kháng mà không

cần thêm phần tử nào khác. Đây cũng là lợi điểm của kỹ thuật tiếp tín hiệu bằng

đường vi dải. Tuy nhiên, khi tăng độ dày chất nền, sóng bức xạ bề mặt và bức xạ

nhiễu từ đường tiếp tín hiệu tăng lên làm cho các thiết kế thực tế bị giới hạn băng

thông (điển hình là 2-5%).

(a) [1]

(b) [1]

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 3.2: a. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải, b. Mạch điện tương đương

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

3.4.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục

Phương pháp tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial probe) là kỹ thuật thông

dụng sử dụng trong tấm bức xạ anten vi dải. Ta thấy trong Hình 3.3, lõi bên trong

của cáp đồng trục được nối với tấm bức xạ thông qua lớp đế điện môi trong khi lớp

ngoài của cáp đồng trục được nối với Ground Plane.

(a) [1]

(b) [1]

Hình 3.3: a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục, b. Mạch điện tương đương

Một dạng khác của tiếp điện bằng cáp đồng trục là sử dụng một đoạn Mini-

coaxial để cho phép linh hoạt trong việc sắp đặt vị trí ở một địa điểm xác định. Một

đầu cáp được nối với nguồn còn đầu kia được hàn lên tấm patch. Kiểu tiếp điện này

thường sử dụng cho anten lưỡng cực và anten vòng. Hình dạng cáp được thể hiện

HVTH: Võ Hồng Ngân

như trong Hình 3.4.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.4: Hình dạng của Mini - coaxial

Ưu điểm của kiểu tiếp điện này là ống dẫn có thể đặt ở bất kì vị trí nào trên

tấm bức xạ để phối hợp trở kháng vào. Phương pháp này được tạo ra một cách dễ

dàng và có bức xạ không mong muốn thấp.

Nhược điểm là cung cấp dải thông hẹp, khó mô hình hóa từ một lỗ khoan

trong lớp nền và đầu nối nhô ra ngoài ground plane làm cho bề dày lớp nền không

bằng phẳng. Khi bề dày lớp nền tăng thì làm tăng chiều dài của đầu dò, vì thế làm

cho việc phối hợp trở kháng sẽ khó khăn hơn. Còn đối với Mini-coaxial thì phải lưu

ý đến mối hàn và đảm bảo cố định cáp trên mạch. Nhưng kiểu tiếp điện này cung

cấp dải thông rộng hơn kiểu Microstrip Line Feed.

3.4.3 Tiếp điện bằng cách ghép khe

Với kỹ thuật này thì miếng tấm bức xạ và đường tiếp điện vi dải được phân

chia bởi ground plane như Hình 3.5. Sự kết nối giữa tấm bức xạ với đường tiếp điện

là tạo ra một khe hay một lỗ xuyên qua ground plane.

HVTH: Võ Hồng Ngân

(a) [1]

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

(b) [1]

Hình 3.5: a. Tiếp điện bằng cách ghép khe, b. Mạch điện tương đương

Coupling Aperture được đặt ngay dưới trung tâm miếng tấm bức xạ dẫn đến

sự phân cực ngang thấp vì tính đối xứng của cấu hình. Số lượng ghép nối từ feed

line đến tấm bức xạ được xác định bởi hình dạng, kích thước và vị trí của lỗ. Với kỹ

thuật này thì làm giảm sự bức xạ không xác định. Sự bất lợi của phương pháp này là

khó tạo ra chất nền với nhiều lớp như thế và nó cũng làm cho bề dày của anten tăng

lên. Kiểu tiếp điện này cũng cung cấp băng thông hẹp.

3.4.4 Tiếp điện bằng cách ghép lân cận

Kỹ thuật này gọi là ghép nối điện từ, hai đế chất điện môi được sử dụng sao

cho nguồn nuôi được nằm giữa hai lớp đế điện môi và tấm bức xạ sẽ nằm phía trên

của lớp đế điện môi ở trên (Hình 3.6).

(a) [1]

(b) [1]

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 3.6: a. Tiếp điện bằng ghép đôi lân cận, b. Mạch điện tương đương

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Lợi thế chính của kỹ thuật này là loại trừ sự bức xạ không xác định và cung

cấp dải thông rộng (13%). Phối hợp trở kháng có thể đạt được bằng cách điều chỉnh

độ dài của feed line và tỉ số độ rộng của miếng tấm bức xạ. Sự phối hợp trở kháng

có thể đạt được bằng việc thay đổi chiều dài và chiều rộng của đường tiếp điện tới

tấm bức xạ. Sự bất lợi chính của phương pháp này là độ dày của anten tăng và việc

tạo ra hai lớp đế điện môi khác nhau là khó khăn.

Nhận xét:

Từ các phương pháp tiếp điện trên thì đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu cách

tiếp điện bằng cáp đồng trục, cụ thể là sử dụng Mini-coaxial. Vì đây là phương pháp

được sử dụng phổ biến nhất trong anten vi dải và phù hợp với dạng anten vòng.

3.5 Nguyên lý hoạt động của antenna vi dải

Sóng điện từ xuất phát từ tấm phía trên đi vào trong lớp điện môi, sau đó

phản xạ trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên. Trường bức xạ xảy

ra chủ yếu do trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất.

Hình 3.7: Tường bức xạ E và H của antenna vi dải [1]

Phụ thuộc vào từng cấu trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc

mạch dải phẳng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn

sóng. Nếu cấu trúc sử dụng như một anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi

thành sóng không gian. Còn nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng

lượng được giữ trong ống dẫn sóng. Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao không mong

muốn nhưng đôi khi vẫn có những ứng dụng sử dụng loại sóng này như leaky anten.

- Sóng không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại. Những

sóng này có thể bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng cách 1/r. Trong cấu trúc

mạch dải thì sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa trên vì màn chắn kim loại đã ngăn

HVTH: Võ Hồng Ngân

không cho bức xạ xuống không gian phía dưới.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

- Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn

dẫn điện và phiến kim loại.

- Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn kim loại

theo góc nhỏ hơn góc tới hạn. Sau khi phản xạ từ màn chắn, một bộ phận của sóng

sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi – không khí, khiến cho một phần năng lượng

rò ra khỏi lớp điện môi.

- Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt và bên

trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn điện môi –

không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong sợi cáp quang.

3.6 Tính phân cực của anten vi dải

Phân cực của anten theo hướng đã cho được xác định như phân cực sóng bức

xạ bởi anten. Chú ý khi hướng không được nói rõ thì phân cực được xem xét là

phân cực theo hướng có độ lợi cực đại. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo

ra các trường bức xạ phân cực tròn hoặc phân cực thẳng, trường hợp đặc biệt là

phân cực kép, bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp.

Sự phân cực của anten thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện. Với các biện

pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten mạch dải là trường phân

cực thẳng. Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng.

Để đạt đặc tính phân cực kép ta xoay điểm dẫn nạp anten ở một vị trí thích hợp. Cụ thể là xoay điểm dẫn nạp một góc 45o như Hình 3.8 để đạt đặc tính bức xạ

phân cực kép trong mặt cắt x - z dọc theo đường kính của chất nền anten và mặt cắt

y - z vuông góc với x – z [3], [7].

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 3.8: Anten vòng xoay dẫn nạp một góc 45o

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Ưu điểm của anten phân cực kép là để phát dữ liệu trên một phân cực và nhận

dữ liệu trên một phân cực khác một cách đồng thời. Anten phân cực kép được sử

dụng khi không gian có hạn, phù hợp hơn so với hai anten tách rời [3-6].

3.7 Dải tần anten vi dải

Độ rộng băng thông của anten vi dải được định nghĩa là khoảng tần số mà

trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói

cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.

Một trong những nhược điểm của anten vi dải là có độ rộng băng tần hẹp. Do

đó để tăng độ rộng băng tần cho anten vòng có thể sử dụng nhiều cách như sau [8]:

 Sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp: Độ rộng băng

tần của anten vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi

rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng tần với tỷ lệ

f 

4 2 f

sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thức thực nghiệm sau:

h 32/1

  

  

(3.1)

Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, h là độ dày điện môi.

Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi h >

0.10 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten.

 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp: Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác

nhau như: tiếp điện bằng “đầu dò” (probe feeding), tiếp điện ở cạnh patch (edge

feeding), ghép gần patch với một đường truyền vi dải (proximity coupling to a

microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện vi dải (aperture coupling

to a microstrip feed line). Trong đó phương pháp ghép khe (aperture coupling) được

sử dụng cho các anten băng rộng trên các chất nền dày như Hình 3.9.

Điều này là do thực tế rằng kỹ thuật tiếp điện này cho phép một lượng lớn

tham số có thể điều chỉnh như độ dài khe, độ rộng khe và hình dạng khe, ….

Phương pháp ghép khe khi được điều chỉnh một cách kỹ lưỡng có thể làm tăng băng

HVTH: Võ Hồng Ngân

thông một cách đáng.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.9 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [8]

 Sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng: Anten vi dải với 2 patch

được xếp chồng điển hình được thể hiện trong Hình 3.10. Patch bên dưới có thể

được tiếp điện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải. Patch bên

trên được ghép “sát” với patch bên dưới. Kích thước của patch phía trên hơi khác

kích thước của patch bên dưới để thu được tần số cộng hưởng hơi khác một chút.

Mỗi thành phần cộng hưởng này được ghép “sát” với thành phần cộng hưởng khác.

Việc ghép “sát” được điều khiển để tăng băng thông.

Hình 3.10: Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [8]

 Sử dụng các thành phần ký sinh đồng phẳng: các kiểu ghép này tạo

HVTH: Võ Hồng Ngân

các tần số cộng hưởng khác nhau nhưng gần nhau để tăng băng thông. Trong cấu

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

hình này chỉ tấm patch trung tâm là được dẫn nạp còn những tấm patch khác thì

ghép khe hoặc nối trực tiếp với tấm patch điều khiển.

Có một số dạng ghép ký sinh đặc trưng như Hình 3.11 a) hai patch được ghép

khe với patch điều khiển dọc theo các cạnh bức xạ của patch điều khiển. Hình 3.11

b) Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 2 patch dọc theo các cạnh bức xạ, trong

trường hợp này các patch phía ngoài là các patch kí sinh vào patch được tiếp điện,

nhưng các patch kí sinh được ghép trực tiếp tới patch được tiếp điện. Hình 3.11 c)

bao gồm một đĩa vi dải được ghép khe với một vành khuyên ngắn mạch trên cùng

bề mặt. Anten này cũng có thể được xem như một hốc hình trụ (cylindrical cavity)

ghép với một khe vành khuyên (annular slot).

a) b)

Hình 3.11: Các dạng ghép kí sinh [8]

 Dùng phương pháp cắt khe: Patch và khe U được thiết kế để cho tần số

cộng hưởng gần nhau. Tần số cộng hưởng và hệ số Q tại điểm cộng hưởng có thể

được điều khiển độc lập bằng cách điều chỉnh chiều dài và rộng của patch và khe U.

Xem Hình 3.12 với tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U để tăng băng

HVTH: Võ Hồng Ngân

thông.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.12: Tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U [8]

 Mắc tải điện trở

Theo Pozar, băng thông trở kháng của anten vi dải có thể tăng lên bằng cách

hạn chế các tham số mất mát, nhưng bù lại hiệu suất bức xạ giảm. Mất mát gây ra

do vật liệu điện môi, lớp đồng dẫn điện, do chính tải điện trở mắc vào. Hình 3.13

thể hiện một anten vi dải được gắn thêm điện trở 1Ω gần cạnh của patch.

Hình 3.13. Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L [8]

Có rất nhiều cách để tăng băng thông cho anten nhưng mỗi cách đều có

những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và hình dạng của

anten. Trong đề tài này ta sẽ dùng phương pháp cắt khe để tăng băng thông.

3.8 Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải

Có nhiều phương pháp để phân tích anten vi dải. Những phương pháp phổ

biến nhất là mô hình đường truyền (transmission line model), mô hình hốc cộng

hưởng (cavity model), và mô hình sóng đầy đủ (full wave model). Transmission

HVTH: Võ Hồng Ngân

line model là phương pháp đơn giản nhất khi nắm được mô hình vật lý nhưng kém

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

chính xác. Phương pháp cavity model thì chính xác hơn nhưng phức tạp. Còn kỹ

thuật full wave model thì cực kỳ chính xác và phân tích cặn kẽ nhất nhưng lại là

phương pháp phức tạp nhất.

Ngoài ra, phương pháp FDTD (Finite Diference Time Domain) cũng được

dùng để phân tích anten, phương pháp này đơn giản nhưng có thể tính toán được

các mô hình phức tạp.

3.8.1 Mô hình đường truyền

Mô hình này được sử dụng cho các trường hợp tấm bức xạ có hình dạng đơn

giản. Mỗi anten vi dải hình chữ nhật có thể mô tả tương đương 2 khe bức xạ có

chiều rộng W và chiều cao h, phân chia bởi đường truyền chiều dài L (Hình 3.14a).

Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = d/2 do vì mặt bức xạ

của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường

trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian. Phần tử bức xạ này được gọi là

phần tử vi dải nửa sóng.

(a) (b)

Hình 3.14: (a) Đường vi dải [1], (b) Các đường điện trường [1]

Theo Hình 3.14b, ta thấy hầu hết trường điện nằm bên trong đế và một phần

nhỏ trong không khí gần đáy. Theo kết quả thì kiểu truyền này không thể hỗ trợ

thuần túy kiểu truyền sóng điện từ ngang (sóng TEM – Transverse Electric

Magnetic). Do trường điện từ sinh ra không nằm hoàn toàn ở biên của tấm bức xạ

mà một phần bị bức xạ ra không khí và do vận tốc truyền sóng là khác nhau giữa

không khí và lớp nền. Vì thế hằng số điện môi hiệu dụng (εeff) thu được ở viền và

r .

đường truyền sóng, có giá trị εeff phải thấp hơn

HVTH: Võ Hồng Ngân

Công thức 3.2 thể hiện mối liên hệ của hai đại lượng trên.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 r





 eff

 2



 1 12 d W

(3.2)

eff : hằng số điện môi hiệu dụng.

r : hằng số điện môi của chất nền.

Trong đó:

h: bề dày của chất nền.

W: độ rộng của tấm tấm bức xạ.

Trong Hình 3.15a, tấm bức xạ anten được đại diện cho bởi hai khe, tách ra

bởi một đường truyền chiều dài L. Dọc theo chiều rộng của tấm tấm bức xạ điện áp

là cực đại và dòng điện là nhỏ nhất ở những đầu mút. Những trường tại những cạnh

có thể được giải quyết trong những thành phần tiếp tuyến và bình thường đối với

mặt phẳng nằm ngang.

(b) (a)

Hình 3.15: Trường phân bố [1]

Như Hình 3.15b, ta thấy những phần tử bình thường của trường điện ở 2 cạnh

dọc theo chiều rộng là ngược hướng và lệch pha từ tấm bức xạ. Từ những cạnh

dọc theo chiều rộng có thể được mô tả như hai khe bức xạ, cạnh một nửa chiều dài

bước sóng tách ra và bị kích thích pha và bức xạ trong không gian trên ground

HVTH: Võ Hồng Ngân

plane. Những trường bao bọc dọc theo chiều dài có thể được mô hình hóa như

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

những khe bức xạ và đặc tính điện trong tấm tấm bức xạ của anten vi dải trông lớn

hơn những kích thước vật lý.

3.8.2 Mô hình hốc cộng hưởng

Mặc dù mô hình Transmission Line Model dễ dàng sử dụng nhưng vẫn có

một số bất lợi tồn tại. Đặc biệt, nó hữu ích cho những tấm bức xạ khi thiết kế hình

chữ nhật và bỏ qua những trường biến thiên dọc theo các cạnh bức xạ. Những sự bất

lợi sẽ được khắc phục bằng cách dùng Cavity Model. Mô hình này sử dụng cho các

trường hợp tấm bức xạ có hình dạng phức tạp.

Trong mô hình này, phần bên trong lớp nền điện môi được mô hình như là

những hốc giới hạn bằng bức tường điện phía trên và phía dưới với độ dày của lớp

nền rất nhỏ (h<<).

Từ lớp nền điện môi mỏng điện trường bên trong không biến đổi nhiều theo

hướng z. Điện trường chỉ hướng theo trục z và từ trường thì được cấu tạo bởi Hx và

Hy ở trong vùng giới hạn bởi miếng tấm bức xạ kim loại và mặt phẳng đất.

Hình 3.16: Mật độ điện tích và dòng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [1]

Như Hình 3.16, khi tấm bức xạ vi dải được cấp điện thì điện tích được phân

bố phía trên và phía dưới bề mặt của tấm bức xạ và ở phía trên của mặt phẳng đất.

Sự phân bố này được điều khiển bởi hai cơ chế là cơ chế hấp dẫn (attractive

mechanism) và cơ chế đẩy (repulsive mechanism).

- Cơ chế hấp dẫn (attractive mechanism): là sự phân bố ngang đối điện ở giữa

mặt trên của miếng tấm bức xạ và mặt phẳng đất, nó giúp giữ nguyên vẹn tính tập

HVTH: Võ Hồng Ngân

trung ở phía dưới cùng của tấm bức xạ.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

- Cơ chế đẩy (Repulsive mechanism): là những điện tích cùng dấu ở phía dưới

của tấm bức xạ xô đẩy các điện tích phía trên của tấm bức xạ làm cho các điện tích

này chuyển động và tạo ra dòng điện chạy ở bề mặt của tấm bức xạ.

Mô hình hốc cộng hưởng giả định rằng tỉ lệ chiều cao của lớp đế điện môi và

chiều rộng của tấm bức xạ là rất nhỏ. Dòng điện nhỏ hơn sẽ chạy trên mặt trên của

tấm bức xạ và hệ số chiều cao của lớp nền và chiều rộng của tấm bức xạ sẽ giảm.

eff (effective loss tangent) như

Suy hao hốc cộng hưởng được tính toán bằng

1

eff

Q T

sau: (3.3)







1 Q T

1 Q d

1 Q C

(3.4)



Q d

TQ là hệ số đặc tính tổng thể của anten được tính toán như sau: 1 Q r dQ miêu tả hệ số đặc tính của chất điện môi và được cho bởi: 1 tan

W  T r P d

r : tần số góc cộng hưởng.

(3.5)    Trong đó:

WT : năng lượng tổng cộng khi anten cộng hưởng.

Pd : chất điện môi tổn hao.

tan: loss tangent của chất điện môi.

CQ miêu tả hệ số đặc tính của chất dẫn và được cho bởi:





Q C

h 

(3.6)

W  r T P C

Trong đó:

 : độ dày lớp da của dây dẫn.

PC: công suất tồn hao chất dẫn.

h: chiều cao của chất nền (substrate).

rQ mô tả đặc tính của sự bức xạ cho bởi công thức:



(3.7)

Trong đó Pr là công suất bức xạ từ miếng tấm bức xạ.

Từ (3.3), (3.4), (3.5), (3.6) và (3.7) ta được phương trình (3.8).



 eff

 P r  W h  r T

HVTH: Võ Hồng Ngân

(3.8)  tan 

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Như vậy phương trình (3.8) mô tả suy hao tổng thể (total effective loss

tangent) cho tấm bức xạ anten vi dải.

3.8.3 Mô hình sóng đầy đủ

Phương pháp này được đưa ra bởi Newman và Tulyathan, là một trong những

phương pháp cung cấp sóng đầy đủ phân tích tấm bức xạ anten vi dải. Trong

phương pháp này các dòng điện mặt dùng để làm mô hình cho tấm bức xạ anten vi

dải và những dòng điện phân cực được dùng để mô hình các trường bên trong tấm

điện môi. Những phương trình điện trường đầy đủ được biến đổi bên trong phương

trình ma trận, phương trình ma trận này có thể được giải thích bằng nhiều phương

pháp đại số để cung cấp kết quả. Tuy nhiên phương pháp phân tích này tính toán rất

phức tạp nên ít được sử dụng rộng rãi.

3.8.4 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp FDTD được công bố đầu tiên bởi Yee năm 1966 là một phương

pháp đơn giản và hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình

Maxwell. Tuy mới bắt đầu có những ứng dụng vào các cấu trúc bức xạ đầu những

năm 90, ngày nay FDTD đã rất mạnh trong việc mô phỏng anten. Các kỹ thuật hỗ

trợ cho FDTD đã phát triển đầy đủ để có thể cấu trúc cho một mô hình anten phức

tạp. FDTD đặc biệt có thể mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên

hay các tham số môi trường tác động lên anten. FDTD là kỹ thuật mô phỏng rất linh

hoạt có thể mô phỏng được nhiều bài toán phức tạp.

Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương

pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp

đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng

đơn giản, còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường

hợp được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp.

3.9 Một số loại anten vi dải cơ bản

 Anten có tấm bức xạ vi dải (Microtrip Patch Antenna)

Anten có tấm bức xạ vi dải MPA (Microstrip Patch Antenna) bao gồm một

HVTH: Võ Hồng Ngân

tấm bức xạ dẫn điện có hình dạng phẳng hay không phẳng trên một mặt của một

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

chất nền điện môi, và mặt phẳng đất trên mặt còn lại của chất nền. Các cấu hình cơ

bản mà được sử dụng trong thực tế được chỉ ra trong Hình 3.17(a), (b).

(a). Các hình dạng anten tấm bức xạ vi dải cơ bản thường được sử dụng trong thực

tế [8]

(b). Các hình dạng kiểu khác cho các anten tấm bức xạ vi dải [8]

Hình 3.17: Các dạng tấm bức xạ anten vi dải

 Anten dipole vi dải và anten vòng vi dải (Microstrip Dipole Antenna and

Microstrip Loop Antenna): là các loại anten lưỡng cực gồm có các dạng như tấm

dẫn điện giống như anten vi dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole vi dải còn có các

tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi. Anten vòng vi dải có nhiều dạng như

vòng tròn, vuông, tam giác,… Anten vòng tròn phổ biến vì dễ dàng trong việc phân

HVTH: Võ Hồng Ngân

tích và thiết kế.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.18: Một vài dipole mạch in và vi dải [8]

 Anten khe mạch in ( Microstrip or Printed Dipole Antenna)

Các anten khe mạch in (printed slot antenna) có một khe được cắt trên mặt

kim loại. Khe này có thể có bất kỳ hình dạng nào. Về lý thuyết, hầu hết các hình

dạng của tấm bức xạ vi dải mà được chỉ ra trong Hình 3.17 có thể được thực hiện lại

trong dạng của một khe mạch in.

Hình 3.19: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện [8]

 Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna)

Anten sóng chạy vi dải gồm các dãy dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi

dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode. Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc

một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên anten

HVTH: Võ Hồng Ngân

(Hình 3.20). Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.20: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [8]

3.10 Anten vòng

Anten vòng là loại anten đơn giản, rẻ tiền và rất linh hoạt. Anten vòng có nhiều

hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình vuông, hình tam giác, hình elip, hình

tròn,... Vì đơn giản trong phân tích và xây dựng nên anten vòng tròn là phổ biến

nhất và đã nhận được sự chú ý nhiều nhất.

Anten vòng thường phân thành hai loại, vòng nhỏ và vòng lớn. Anten vòng nhỏ

là loại có tổng chiều dài (chu vi) thường ít hơn khoảng một phần mười của một

bước sóng (C < λ / 10). Tuy nhiên, vòng lớn là loại có chu vi bằng khoảng một

bước sóng không gian tự do (C ~ λ). Hầu hết các ứng dụng của anten vòng là trong

HF (3-30 MHz), VHF ( 30-300 MHz), và băng UHF ( 300-3000 MHz). Khi được sử

dụng như trường thăm dò, chúng ứng dụng ngay cả trong phạm vi tần số vi sóng.

Anten vòng với chu vi nhỏ có điện trở bức xạ nhỏ mà thường nhỏ hơn điện trở

suy hao của chúng. Do đó nó bức xạ rất ít, và hiếm khi được sử dụng để truyền

trong thông tin vô tuyến. Khi chiều dài tổng thể của vòng tăng và chu vi của nó tiến

đến một bước sóng không gian tự do (C ~ λ), tối đa của đồ thị dịch chuyển từ mặt

phẳng của vòng đến trục của vòng mà vuông góc với mặt phẳng của nó. Điện trở

bức xạ của vòng có thể tăng lên và thực hiện so sánh với trở kháng đặc tính của

đường dây truyền tải thực tế bằng cách tăng chu vi của nó và một số điều chỉnh.

Vòng lớn được sử dụng chủ yếu là các mảng định hướng, như anten helical, các

mảng Yagi-Uda, các mảng quad,... Với các ứng dụng này và các ứng dụng tương tự

khác, bức xạ tối đa được hướng vào trục của vòng tạo thành một anten đầu cuối. Để

đạt được đặc tính đồ thị định hướng, chu vi của vòng nên tiến đến một bước sóng

không gian tự do (C ~ λ).

 Anten vòng với mật độ dòng không đồng nhất

Ngoài phân loại anten theo kích thước (vòng lớn và vòng nhỏ). Anten vòng

HVTH: Võ Hồng Ngân

còn được phân loại theo phân bố dòng điện trên anten là anten vòng có phân bố

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

dòng đồng nhất và không đồng nhất. Anten có phân bố dòng đồng nhất là anten có

phân bố dòng không đổi, nó có kích thước vòng nhỏ (a < 0.016λ). Khi kích thước

của vòng tăng, sự biến thiên dòng dọc theo chu vi của vòng phải được tính vào. Giả

định rất thông dụng hiện nay cho phân bố dòng là biến thiên hình sin. Tuy nhiên, nó

không phải là một xấp xỉ hợp lý. Một phân bố tốt hơn sẽ được biễu diễn cho dòng

bằng một chuỗi Fourier.

(3.9)

Trong đó ϕ’ được đo từ điểm dẫn nạp của vòng dọc theo chu vi, như trong

Hình 3.21 a). Phân tích trường bức xạ của anten vòng với phân bố dòng không đồng

nhất là hơi phức tạp, mất thời gian, và khá dài. Để minh họa sự phân bố dòng của

anten vòng không đồng nhất, biên độ và pha của nó đã được vẽ trong Hình 3.21 là

một hàm của ϕ’ . Chu vi vòng C là ka = C/λ = 0.1, 0.2, 0.3 và 0.4 và kích thước dây

đã được chọn để Ω = 2ln (2πa/b) = 10. Rõ ràng là khi ka = 0.1 dòng gần như đồng

nhất. Với ka = 0,2 các biến thiên hơi lớn hơn và trở nên lớn hơn khi ka tăng. Trên

cơ sở các kết quả, các vòng lớn hơn nhiều so với ka = 0,1 (bán kính lớn hơn 0.016λ)

không thể coi là nhỏ.

a) Biên độ

HVTH: Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

b) Pha

Hình 3.21 : Biên độ và pha của anten vòng tròn nhỏ [1]

Tối đa của đồ thị của anten vòng dịch chuyển từ mặt phẳng của vòng (θ = 900) đến trục của nó (θ = 00, 1800) khi chu vi của vòng gần 1-λ, giả định rằng dòng thay

đổi từ đồng nhất đến không đồng nhất. Căn cứ vào sự phân bố dòng không đồng

nhất, các định hướng của vòng dọc θ = 0 có thể tính vào, và nó được vẽ trong Hình

3.22 so với chu vi của vòng trên bước sóng. Định hướng tối đa khoảng 4.5 dB, và

nó xảy ra khi chu vi khoảng 1.4λ. Đối với chu vi 1-λ, mà thường là thiết kế tối ưu

cho một anten xoắn ốc, định hướng là khoảng 3.4 dB. Rõ ràng rằng các định hướng

là độc lập với bán kính của dây, miễn là chu vi bằng hoặc ít hơn khoảng 1.3λ; có sự

khác biệt trong định hướng như một hàm của bán kính dây cho chu vi lớn hơn.

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 3.22: Độ định hướng của anten vòng khi θ = 0, π [1]

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Tính toán trở kháng dựa trên sự biểu diễn chuỗi Fourier của dòng, được thể

hiện trong Hình 3.23. Điện trở và điện kháng ngõ vào được vẽ như một hàm của

chu vi C (trên bước sóng) với 0 ≤ ka = C/λ ≤ 2,5. Đường kính của dây được chọn để

Ω = 2ln(2πa/b) = 8, 9, 10, 11, và 12. Rõ ràng là các cộng hưởng ngược

(antiresonance) đầu tiên xảy ra khi chu vi của vòng khoảng λ/2, và vô cùng sắc nét.

Cũng cần lưu ý rằng khi độ dày các vòng dây tăng, có sự biến mất nhanh chóng của

cộng hưởng. Ta thấy khi Ω < 9 chỉ có một điểm cộng hưởng ngược. Những đường

cong (C > λ) cũng tương tự, cả lượng và chất lượng, như là một lưỡng cực tuyến

tính. Sự khác biệt chính là vòng nhiều điện dung hơn một lưỡng cực (khoảng

130Ω).

HVTH: Võ Hồng Ngân

a) Điện trở

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

b) Điện kháng

Hình 3.23: Trở kháng ngõ vào của anten vòng tròn [1]

3.11 Tóm tắt

Chương này thảo luận về các thành phần của anten vi dải, kỹ thuật tiếp điện

và phương pháp phân tích. Anten vi dải là anten phổ biến nhất hiện nay ứng dụng

mạnh trong các hệ thông truyền thông vô tuyến mang tính di động. Anten phân cực

kép được trình bày để đạt hiệu suất tốt trong việc truyền nhận dữ liệu. Phân cực kép có thể đạt được trong anten vi dải bằng cách xoay điểm dẫn nạp ở 45o. Bên cạnh đó

cũng trình bày các biện pháp cải thiện băng thông để có thể sử dụng nhiều dịch vụ

HVTH: Võ Hồng Ngân

trên một băng tần.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC

4.1 Phương pháp thiết kế anten

4.1.1 Cơ sở thiết kế anten

Anten được thiết kế dựa trên mô hình của một hệ anten vòng vi dải như Hình

4.1. Hệ thống anten bao gồm ba anten vòng kép hình tròn in trên cùng một lớp của

một chất nền anten tròn hoạt động trên các băng 2.4 GHz và 5 GHz. Mỗi anten

vòng kép bao gồm một vòng lớn bên ngoài và một vòng nhỏ bên trong, cả hai hoạt

động ở chế độ cộng hưởng 1-λ, cùng chia sẻ dẫn nạp và nối đất anten chung. Các

anten được thiết lập trong một sắp xếp xoay vòng trên bề mặt với một góc nghiêng bằng 120o để tạo thành một cấu trúc đối xứng đa anten. Kết quả cho thấy rằng cách

ly port tốt cũng đạt được cùng với độ lợi cao và đặc tính bức xạ phân cực kép trên

các băng 2.4 và 5 GHz [3].

Hình 4.1: Anten vòng tham khảo [3]

Dựa vào những kết quả và hình ảnh anten tham khảo ta tiến hành khảo sát

một hệ anten vi dải dạng tròn hoạt động ở chế độ 1-λ, trên nền tấm mạch in FR-4,

có tấm phản xạ bằng nhôm hoạt động ở dải tần 2.4 GHz. Do đa số các thiết bị của

nước ta hiện nay hoạt động ở dải tần WLAN 2.4 GHz nên ta không khảo sát anten ở

dải tần 5 GHz. Hơn nữa nhược điểm của anten vi dải là băng thông hẹp nên ta cũng

HVTH: Võ Hồng Ngân

tiến hành thiết kế anten để cải thiện băng thông phục vụ cho nhiều dịch vụ mạng

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

hơn. Kích thước của anten và vị trí đặt port được tối ưu để có được sóng phân cực

kép, tần số cộng hưởng 2.44 GHz và có băng thông rộng hơn.

4.1.2 Tính toán các thông số kỹ thuật cho anten

Các kích thước cùng hằng số điện môi và kỹ thuật tiếp điện của anten là

những vấn đề quan trọng trong việc thiết kế anten nói chung và anten vi dải nói

riêng. Thay đổi hằng số điện môi, điều chỉnh vị trí tiếp điện cùng việc tính toán các

thông số kỹ thuật trên cơ sở lý thuyết để đưa ra các kích thước ban đầu cho việc

thiết kế anten chỉ mang tính ước lượng. Từ các thông số này ta sẽ đưa ra các thông

số tối ưu bằng cách mô phỏng anten sử dụng phần mềm Ansoft HFSS.

Điểm dẫn nạp

Hình 4.2: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu

Hình 4.3: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu

Tính toán các thông số lý thuyết của antenna theo các công thức:[1],[10]

 Thiết lập tỉ số W/h để tìm W:



1 

39.0



 2ln

 1 



 1 

W h

2 

  r 2  r

61.0  r

 ln  

  

  

  

(4.1)

HVTH: Võ Hồng Ngân

Với:

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh





377 oZ

 r

(4.2)

Trong đó:

W: độ dày của vòng (m)

Zo: Trở kháng đặc tính (  )

r : hằng số điện môi của tấm mạch in

h: độ dày của lớp điện môi (m)



1 2

 r







 Hằng số điện môi hiệu dụng:

reff

 2

 2

h 12 W

 1  

  

(4.3)



 Bước sóng hoạt động của antenna:



reff

(4.4)

Trong đó:

f: tần số cộng hưởng (Hz)

c = 3x108 (m/s): vận tốc ánh sáng.

 Bán kính vòng:

Do antenna hoạt động ở chế độ cộng hưởng 1 nên:

(4.5)

C = = 2πa

Thay

r = 4.6, Z0 = 50 vào công thức (4.1), (4.2) ta được W 3mm

 Tính toán thông số:

Thay vào (4.3) với h = 1.6mm ta được = 3.46

Thay vào (4.4) ta được = 67.2mm

Từ (4.5) suy ra: a = = 10.7 mm

Đối với mặt phản xạ ta chọn đường kính 2 .

 10

Khoảng cách giữa mặt phản xạ và tấm tấm bức xạ là .

Khoảng cách giữa hai điểm dẫn nạp là 2mm. HVTH: Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

4.1.3 Phương pháp tiếp điện cho anten

Khi thiết kế anten, việc lựa chọn phương pháp tiếp điện hợp lý cho anten là

rất quan trọng, nó quyết định đến khả năng phối hợp trở kháng của anten. Đối với

cấu trúc của anten đang thiết kế trong đề tài này, phương pháp tiếp điện bằng cáp

đồng trục được sử dụng, hay rõ hơn là sử dụng ba đoạn mini coax, một đầu được

nối với nguồn phát và đầu kia được hàn lên anten. Đây là phương pháp đơn giản,

được thực hiện dễ dàng, ống dẫn của cáp đồng trục có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trên

tấm bức xạ để phối hợp trở kháng vào.

4.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá anten

Khi thiết kế anten ta phải chú ý đến các thông số như tổn hao phản xạ S11,

S22, S33, cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports) S21, S31,S32, tỷ số sóng

đứng điện áp (VSWR), độ lợi và đồ thị bức xạ của anten. Để đánh giá một anten ta

phải dựa vào các thông số đó. Cụ thể anten đang thiết kế phải đạt được các yêu cầu

- Tỉ số sóng đứng VSWR < 2 ở dải tần hoạt động.

- Tổn hao phản xạ (Return Loss) S11, S22 , S33< -10 dB ở dải tần hoạt động.

- Cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports) S21, S31, S32 < -20 dB ở

dải tần hoạt động.

- Độ lợi (Gain) của một anten > 8 dB.

- Tần số cộng hưởng 2.44 GHz. - Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) của một anten có búp sóng khoảng 600,

định hướng tốt.

4.1.5 Tối ưu các thông số kỹ thuật cho anten

Từ các thông số đã tính toán trước đó, ta dùng phần mềm Ansoft HFSS để

thiết kế và mô phỏng anten sao cho đạt các tiêu chuẩn đánh giá anten đã đề ra bằng

cách thay đổi lần lượt từng thông số. Sau nhiều lần mô phỏng các thông số được tối

ưu như sau: tấm đĩa phản xạ bằng kim loại có bán kính là 65 mm, bản mặt đĩa bức

xạ FR-4 bán kính là 58 mm đặt phía trên tấm kim loại một khoảng không là 11.4

6.4r

mm, tấm mạch in FR-4 có hằng số điện môi , độ dày h = 1.6 mm. Ba anten

HVTH: Võ Hồng Ngân

giống nhau đặt cách nhau 120o với kích thước từng anten là bán kính a = 17 mm, độ

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

dày vòng W = 2.7 mm. Khoảng cách từ tâm đến từng anten là 21mm. Cấu trúc chi

tiết được thể hiện ở Hình 4.2, Hình 4.3, Hình 4.4.

4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS

Kết quả mô phỏng 1

Hình 4.4: Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS

Kết quả mô phỏng theo thông số kỹ thuật tối ưu của anten:

 Độ lợi (Gain):

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Độ định hướng (Directivity):

Hình 4.6: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten

 Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern):

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.7: Đồ thị bức xạ của anten

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 S-parameters (Hệ số phản xạ S11, S22, S33)

Hình 4.8: Hệ số phản xạ S11, S22, S33

 Tỷ số sóng đứng (VSWR)

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.9: Tỷ số sóng đứng (VSWR)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Hệ số cách ly (S21, S31, S32)

Hình 4.10: Hệ số cách ly (S21, S31, S32)

 Phân bố dòng điện của anten 1

Hình 4.11: Phân bố dòng điện của anten 1



135

Trên hình ta thấy phân phối dòng tối đa được nhìn thấy trong hướng của

và phù hợp các thành phần trường E trong mặt cắt x - z và y - z gần như

giống nhau. Do đó đặc tính bức xạ phân cực kép đạt được trong mặt cắt x - z dọc

theo đường kính của chất nền anten và mặt cắt y - z vuông góc với x - z với điều kiện dẫn nạp có độ xoay 45o .

 Đồ thị trường Eθ, Eϕ

HVTH: Võ Hồng Ngân

 Khi dẫn nạp xoay 45o (Đặc tính phân cực kép)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

450

Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z

Hình 4.12: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45o

 Khi không xoay dẫn nạp

Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.13: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi không xoay dẫn nạp

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

900

 Khi dẫn nạp xoay 90o

Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z

Hình 4.14: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 90o

Ta thấy khi điểm dẫn nạp ở 0o và 90o thì trường Eθ, Eϕ rất khác nhau. Và khi xoay dẫn nạp ở 45o anten có phân cực Eθ và Eϕ gần như nhau do đó đạt được đặc

tính phân cực kép.

Từ mô phỏng ta thấy tần số cộng hưởng chính của anten tại 2.44 GHz với giá

trị S11, S22, S33 = -21.4 dB, tỷ số sóng đứng của anten là 1.18, độ lợi của anten là

8.27 dB, độ định hướng là 8.63 dB. Đồ thị bức xạ của anten có búp sóng chính khoảng 60o, giá trị S21, S31, S32 tại tần số 2.44 GHz là -20.1 dB. Băng thông khoảng

160 MHz (tính băng thông dựa trên dải tần có giá trị tham số S dưới -10 dB). Với

kết quả này là đạt yêu cầu đặt ra. Nhưng băng thông chưa lớn, do đó ta sẽ cải thiện

băng thông bằng cách thay đổi hình dáng anten.

Do độ dày của vòng ảnh hưởng đến băng thông nên khi ta tăng độ dày thì

băng thông cũng tăng theo nhưng không nhiều do đó ta sẽ cắt thêm một khe có kích

thước dài là 5 mm, rộng là 2 mm như Hình 4.15.

Và khi tăng độ dày của vòng thì lại thay đổi tần số cộng hưởng do đó ta phải

HVTH: Võ Hồng Ngân

điều chỉnh lại kích thước của anten như sau: tấm đĩa phản xạ bằng kim loại có bán

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

kính là 70 mm, bản mặt đĩa bức xạ FR-4 bán kính là 64 mm. Kích thước từng anten

là bán kính a = 19 mm, độ dày vòng W = 5.5 mm. Khoảng cách từ tâm đến từng

anten là 25 mm.

Kết quả mô phỏng 2

 Khi anten cắt khe cải thiện băng thông

Hình 4.15: Anten cắt khe cải thiện băng thông

 Độ lợi (Gain):

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.16: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten khi cắt khe 59

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Độ định hướng (Direction)

Hình 4.17: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten khi cắt khe

 Đồ thị bức xạ

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.18: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi cắt khe

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 S-parameters (Hệ số phản xạ S11, S22, S33)

Hình 4.19: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten khi cắt khe

 Tỷ số sóng đứng (VSWR):

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.20: Tỷ số sóng đứng (VSWR) của anten khi cắt khe

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Hệ số cách ly (S21, S31, S32)

Hình 4.21: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten khi cắt khe

 Phân bố dòng điện của anten:

Hình 4.22: Phân bố dòng điện của anten khi cắt khe

HVTH: Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45o

Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z

Hình 4.23: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi anten cắt khe

Kết quả mô phỏng tương đối đạc yêu cầu đặt ra là cải thiện băng thông

khoảng 280 MHz. Nhưng độ lệch của Eθ, Eϕ là 2.7 dB thì vẫn còn cao do phân bố dòng ở 135o hơi lệch. Do đó ta sẽ cắt một khe nhỏ dài 0.5mm và rộng 0.4mm ở ϕ = 135o như Hình 4. 24 để tập trung phân bố dòng giảm độ lệch của Eθ, Eϕ.

Hình 4.24: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o

HVTH: Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Kết quả mô phỏng 3: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o

 Độ lợi (Gain):

Hình 4.25: Độ lợi của anten cắt khe nhỏ

 Độ định hướng (Directivity):

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.26: Độ định hướng của anten cắt khe nhỏ

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern):

Hình 4.27: Đồ thị bức xạ của anten cắt khe nhỏ

 S-parameters (Hệ số phản xạ S11, S22, S33)

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.28: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten cắt khe nhỏ

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Tỷ số sóng đứng (VSWR):

Hình 4.29: Tỷ số sóng đứng của anten cắt khe nhỏ

 Hệ số cách ly (S21, S31, S32)

Hình 4.30: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten cắt khe nhỏ

HVTH: Võ Hồng Ngân

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Phân bố dòng điện của anten:

Hình 4.31: Phân bố dòng điện của anten cắt khe nhỏ

 Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45o

Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z

Hình 4.32: Đồ thị trường Eθ, Eϕ của anten khi cắt khe nhỏ

Kết luận:

Qua các mô phỏng trên ta đạt được kết quả:

 Anten cộng hưởng ở tần số 2.44 GHz

 Độ lợi đạt 8.45 dB (Hình 4.25) và độ định hướng 8.7 dB (Hình 4.26)

HVTH: Võ Hồng Ngân

 Tỷ số sóng đứng VSWR là 1.11 dB (Hình 4.29).

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

 Băng thông của anten khoảng 285 MHz (Hình 4.28). Cải thiện được 125

MHz so với anten vòng ban đầu.

 Đồ thị bức xạ của từng anten có búp sóng chính khoảng 60o (Hình 4.27).

 Hệ số cách ly là -20 dB (Hình 4.30).

 Độ lệch Eθ, Eϕ đã giảm xuống 2.3 dB so với anten chưa cắt khe nhỏ (Hình

4.32).

Với kết quả này thì có thể thực hiện anten thực tế.

Ngoài các kết quả mô phỏng được trình bày ở trên, một số kết quả mô phỏng

khi thay đổi bán kính vòng (a), độ dày vòng (W), đường kính mặt phản xạ, khoảng

cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ, khoảng cách từ tâm đến từng anten cũng

được thực hiện và thống kê để tham khảo.

Thay đổi đường kính vòng của từng anten:

Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được

giữ nguyên, chỉ thay đổi bán kính vòng.

Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi bán kính vòng

Isolation Bán Tần số Độ Return loss between Độ Độ kính Băng cộng định (S11) tại VSWR 2 ports lệch lợi vòng thông hưởng hướng 2.44GHz (mag) (S21) tại Eθ, Eϕ (a) (dB) (MHz) tốt nhất (dB) (dB) 2.44GHz (dB) (mm) (GHz) (dB)

-15.2 1.42 -21.8 18 8.49 8.79 290 4 2.53

-18.6 1.25 -20.8 18.5 8.46 8.74 290 0.8 2.48

-24.5 1.11 -20.28 19 8.45 8.7 285 2.3 2.44

-13.9 1.49 -20 19.5 8.43 8.67 280 4.4 2.38

-8.4 2.23 -21.3 20 8.43 8.66 260 4.9 2.33

Nhận xét:

Từ các kết quả trên ta thấy khi thay đổi bán kính vòng ảnh hưởng rất nhiều

đến anten. Khi bán kính vòng tăng thì độ lợi và độ định hướng giảm, nhưng không

HVTH: Võ Hồng Ngân

ảnh hưởng nhiều đến hệ số cách ly giữa hai ngõ vào.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Bán kính vòng thay đổi ảnh hưởng nhiều đến tần số cộng hưởng và băng thông

của anten. Tần số cộng hưởng và băng thông của anten giảm khi bán kính vòng tăng

lên.

Thay đổi độ dày của vòng anten (W)

Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được

giữ nguyên, chỉ thay đổi độ dày vòng anten.

Bảng 4.2: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi độ dày của vòng

anten

Isolation Tần số Độ Độ Return loss between Độ Độ Băng cộng dày định (S11) tại VSWR 2 ports lệch lợi thông hưởng vòng hướng 2.44GHz (mag) (S21) tại Eθ, Eϕ (W) (dB) (MHz) tốt nhất (dB) (dB) 2.44GHz (dB) (GHz) (mm) (dB)

4.5 8.38 8.65 -10 1.93 240 4.7 2.35 -21.2

5 8.4 8.67 -15.6 1.38 250 4.1 2.39 -20.5

5.5 8.45 8.7 -24.5 1.11 285 2.3 2.44 -20.28

6 8.46 8.73 -19.5 1.23 310 0.8 2.46 -20.4

6.5 8.52 8.77 -16.4 1.35 320 1.5 2.5 -20.4

Nhận xét:

Khi thay đổi độ dày vòng thì ảnh hưởng rất nhiều đến anten. Khi độ dày vòng

tăng thì độ lợi và độ định hướng tăng, băng thông, tần số cộng hưởng cũng tăng

theo. Do chu vi vòng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten.

Hệ số phản xạ và tỷ số sóng đứng thấp nhất ở 5.5 mm. Hệ số cách ly cũng thay

đổi nhưng không nhiều.

Thay đổi đường kính mặt phản xạ:

Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được

HVTH: Võ Hồng Ngân

giữ nguyên, chỉ thay đổi đường kính của mặt phản xạ.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Bảng 4.3: Thống kê kết quả mô phỏng anten vòng khi thay đổi đường kính mặt

phản xạ.

Đường Isolation Tần số kính between Độ Return loss Độ Độ cộng Băng mặt định (S11) tại VSWR 2 ports lệch lợi hưởng thông phản hướng 2.44GHz (mag) (S21) tại Eθ, Eϕ (dB) tốt nhất (MHz) xạ (dB) (dB) 2.44GHz (dB) (GHz) (mm) (dB)

2.44 68 8.23 8.49 -23.7 1.13 -19.7 285 2.5

2.44 69 8.33 8.59 -24.6 1.13 -20.2 280 2.6

2.44 70 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3

2.43 71 8.51 8.7 -22.8 1.12 -20.7 280 2.7

2.42 72 8.59 8.85 -24.2 1.14 -20.9 270 2.8

Nhận xét:

Đường kính của mặt phản xạ tăng lên thì độ lợi và độ định hướng tăng theo.

Tỷ số sóng đứng, độ cách ly port, băng thông cũng thay đổi nhưng không nhiều.

Đường kính mặt phản xạ thay đổi cũng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của

anten nhưng không đáng kể.

Thay đổi khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ:

Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được

giữ nguyên, chỉ thay đổi khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ.

Bảng 4.4: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách giữa

tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ.

HVTH: Võ Hồng Ngân

Khoảng Isolation cách Tần số Độ Return loss between Độ tấm bức Độ Băng cộng định (S11) tại VSWR 2 ports lệch xạ và lợi thông hưởng hướng 2.44GHz (mag) (S21) tại Eθ, Eϕ mặt (dB) (MHz) tốt nhất (dB) (dB) 2.44GHz (dB) phản xạ (GHz) (dB) (mm)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

9.4 8.35 8.64 -27 1.1 -19.7 270 2.3 2.44

8.35 8.64 10.4 -35.9 1.04 -19.8 280 3.1 2.44

8.45 8.7 11.4 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44

8.35 8.64 12.4 -19.6 1.23 -20.9 280 2.4 2.4

8.35 8.64 13.4 -16.2 1.35 -21.3 270 2.1 2.4

Nhận xét:

Khoảng cách giữa tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ ảnh hưởng đến hệ số phản

xạ của anten. Khi khoảng cách là 9.4 mm và 10.4 mm thì đạt hệ số phản xạ thấp

nhưng hệ số cách ly cao và băng thông thấp hơn khi khoảng cách bằng 11.4 mm

nên ta chọn khoảng cách là 11.4 mm.

Độ lợi và độ định hướng của anten cũng bị ảnh hưởng nhưng không nhiều.

Tần số cộng hưởng của anten cũng thay đổi khi khoảng cách tấm bức xạ và

mặt phản xạ thay đổi nhưng không thay đổi nhiều.

Thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng:

Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được

giữ nguyên, chỉ thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng.

Bảng 4.5: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách từ tâm

đến từng anten vòng

Khoảng Isolation Tần số cách từ between Độ Return loss Độ Độ Băng cộng tâm đến định (S11) tại VSWR 2 ports lệch lợi thông hưởng anten hướng 2.44GHz (mag) (S21) tại Eθ, Eϕ (dB) (MHz) tốt nhất vòng (dB) (dB) 2.44GHz (dB) (GHz) (mm) (dB)

22 8.77 9 -14 1.4 -19 240 3 2.38

23 8.7 9 -16.1 1.36 -19.7 250 3 2.38

24 8.69 9 -18.8 1.26 -20 270 3.1 2.4

25 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44

HVTH: Võ Hồng Ngân

26 -23.6 1.12 8.6 8.86 -21.9 280 2.5 2.44

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Nhận xét:

Khoảng cách từ tâm đến từng anten ảnh hưởng đến hệ số cách ly của anten.

Khi khoảng cách lớn thì hệ số cách ly nhỏ. Độ lợi và độ định hướng cũng thay đổi

nhưng không nhiều.

Khoảng cách từ tâm đến từng anten cũng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng.

Khi khoảng cách tăng thì tần số cộng hưởng cũng tăng theo. Khi khoảng cách bằng

25 mm thì độ lệch Eθ, Eϕ là nhỏ nhất.

 Sau khi mô phỏng anten thành công ta tiến hành thiết kế anten thực tế và đo

đạc các kết quả.

4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế

4.4.1 Hình ảnh thực tế của anten:

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

4.4.2 Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ và đo đạc thực tế

Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Kết quả đo đạc của anten chưa cải thiện băng thông và anten đã cải

thiện băng thông bằng cách cắt khe

Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải

tần 100 MHz – 8 GHz

Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải

HVTH: Võ Hồng Ngân

tần 2-3GHz

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Anten được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Ansys HFSS. Các thông số

tán xạ S được đo đạc bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8. Các kết

quả mô phỏng và đo đạc được thể hiện qua các hình cho ta một anten có tần số cộng

hưởng tại 2.44 GHz, hệ số phản xạ S11, S22 và S33 là khoảng – 20 dB và anten đo

đạc có băng thông rộng hơn so với anten mô phỏng (Hình 4.34, 4.35, 4.36). Độ cách

ly giữa các ngõ vào S21, S31 và S32 theo mô phỏng so sánh với kết quả đo đạc thấp

hơn -20 dB như được trình bày ở Hình 4.37, 4.38, 4.39. Ngoài ra kết quả đo đạc so

sánh hệ số phản xạ S11 giữa anten chưa cải thiện băng thông và anten đã cải thiện

băng thông được thể hiện như Hình 4.40, 4.41. Trong đó băng thông khi chưa cải

thiện là gần 270MHz và sau khi cải thiện là gần 370 MHz (tính băng thông dựa trên

dải tần có giá trị S11 dưới -10 dB). Vậy kết quả đo đạc cho thấy băng thông được cải

thiện khoảng 100MHz.

Từ các kết quả trên ta thấy kết quả mô phỏng các thông số như hệ số phản xạ

S11, S22, S33 và hệ số cách ly port S21, S31, S32 khá phù hợp với số liệu đo đạc thực

tế. Và anten đã cải thiện được băng thông khá tốt.

4.4.3 Kết quả đo đạc độ lợi trên anten thực tế

Đo bằng máy đo EMC Analyzer E7405:

Dùng máy đo chuyên dụng EMC Analyzer E7405 trong phòng thí nghiệm

Viễn thông để đo độ lợi của anten thực tế tại các tần số khác nhau. Sau khi đo đạc

cho thấy:

- Độ lợi cực đại của anten khoảng 8.62 dBi tại tần số 2.44 GHz. Trong đó việc

đo đạc độ lợi dựa trên sự chênh lệch công suất tín hiệu RF nhận được trong 2

trường hợp sử dụng antenna phát là antenna lưỡng cực nửa sóng và antenna vòng,

cộng thêm độ lợi 2 dB của anten lưỡng cực nửa sóng. Tức là độ lợi anten tại tần số

2.44 GHz là: (46.47dBm - 39.85dBm) + 2dB = 8.62 dBi.

HVTH: Võ Hồng Ngân

- Anten hoạt động tốt ở dải tần 2.34 GHz đến 2.54 GHz như theo Bảng 4.5.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Magnitude = -46.47 dBm

Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tại tần số 2.44 GHz

Magnitude = -39.85 dBm

Hình 4.43: Đo anten vòng tại tần số 2.44 GHz

Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ của anten lưỡng cực nửa sóng và anten vòng

Tần số (GHz) 2.34 2.44 2.54

Cường độ anten lưỡng cực nửa sóng (dBm) -47.93 -46.47 -50.54

Cường độ anten vòng (dBm) -41.68 -39.85 -44.17

HVTH: Võ Hồng Ngân

8.25 8.62 8.37 Độ lợi (dBi)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN thu được của

anten vòng tốt hơn so với trường hợp sử dụng anten lưỡng cực nửa sóng độ lợi 2

dBi. Như vậy, có thể kết luận anten được thiết kế có độ lợi đạt yêu cầu đặt ra.

Đo bằng phần mềm Netstumbler

Để kiểm nghiệm thực tế về độ lợi, anten vòng được gắn vào một access point

WLAN dải tần 2.4 GHz, chuẩn N có tính năng MIMO 3x3 (với 3 anten bức xạ toàn

hướng độ lợi 5 dBi) như Hình 4.44. Phần mềm Netstumbler cài đặt trên máy tính

xách tay được sử dụng trong đo đạc này.

Kết quả đo đạc cường độ trung bình của tín hiệu RF thu được ở môi trường

trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) của anten toàn hướng và anten vòng lần

lượt là –57 dBm và – 54 dBm (Hình 4.45), và môi truyền có che chắn NLOS (Non-

Line-Of-Sight) của anten vòng và anten toàn hướng lần lượt là –68 dBm và –71

dBm (Hình 4.46). Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN

thu được của anten vòng tốt hơn so với trường hợp sử dụng 3 anten toàn hướng độ lợi 5 dBi.

HVTH: Võ Hồng Ngân

Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Anten toàn hướng

Anten vòng

Hình 4.45: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền thẳng

Anten vòng

Anten toàn hướng

LOS (Line-Of-Sight)

Hình 4.46: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền có che

HVTH: Võ Hồng Ngân

chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight)

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

5.1 Kết luận

 Anten phân cực kép đã được thiết kế trên tấm mạch in FR-4. Anten được

làm bằng vật liệu mạch in FR-4 cho tấm bức xạ, và nhôm cho mặt phản xạ. Với việc xoay điểm dẫn nạp 45o nhằm tạo phân cực kép cho anten và cắt khe trên vòng

để cải thiện băng thông và độ lệch trường Eθ, Eϕ. Kích thước anten: đường kính mặt

phản xạ nhôm 140 mm, đường kính chất nền là 128 mm, khoảng cách giữa tấm bức

và mặt phản xạ 11.4 mm. Đường kính vòng lớn của một anten là 38 mm, độ dày

vòng là 5.5 mm. Kết quả mô phỏng của anten phù hợp khá tốt với kết quả đo đạc

thực tế.

 Với đặc tính phân cực kép cho phép anten thu phát được trên nhiều phân

cực hơn, băng thông được cải thiện để sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng hơn. Kết

hợp với việc thiết kế anten trên mạch in nên anten có kích thước nhỏ, trọng lượng

nhẹ, dễ chế tạo, giá thành thấp và độ bền cao… Từ đó, sản phẩm anten cuối cùng

thu được có cả ưu điểm về truyền nhận tín hiệu và cấu trúc vật lý.

 Tóm lại, các kết quả nghiên cứu trên mô phỏng và kiểm chứng thực tế bằng

máy đo chuyên dụng chứng tỏ rằng anten đã được thiết kế thành công, Một anten

phân cực kép đã được thiết kế cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz. Kết quả về độ

lợi, tần số cộng hưởng, hệ số phản xạ, độ cách ly giữa 2 ngõ vào thu được bằng mô

phỏng sử dụng phần mềm Ansys HFSS khá phù hợp với kết quả đo đạc thực tế.

Điều đó chứng tỏ anten được thiết kế đạt các yêu cầu đã đề ra về độ lợi, và các

thông số tán xạ S. Anten này có thể được sử dụng như một anten phân cực kép cho

các access point WLAN 2.4 GHz với hệ thống anten MIMO 3x3.

5.2 Đề nghị

 Cần tối ưu các thông số kỹ thuật của anten hơn nữa để anten cộng hưởng tốt

nhất tại tần số 2.44 GHz, hệ số phản xạ và độ cách ly thấp hơn, độ lợi và độ định

HVTH: Võ Hồng Ngân

hướng lớn hơn và độ chênh lệch trường Eθ, Eϕ là thấp nhất.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Constantine A.Balanis. Antenna Theory Analysis and Design, 2rd ed, John

Wiley & Sons, Inc, 2005.

[2] Marwa Shakeeb. Circularly Polarized Microstrip Antenna, Concordia

University Montreal, Quebec, Canada, December 2010.

[3] Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee. “Low-Cost Dual-Loop-Antenna System for

Dual-WLAN-Band Access Points,” Ieee Transactions on Antennas and

Propagation, Vol. 59, No. 5, May 2011.

[4] Y. X. Guo and K. M. Luk. “Dual-polarized dielectric resonator an-tennas,”

IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 51, pp. 1120–1124, May 2003.

[5] F. S. Chang, H. T. Chen, K. C. Chao, and K. L. Wong. “Dual-polarized

probe-fed patch antenna with highly decoupled ports for WLAN base

station,” in IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. Dig., Monterey, CA, pp.

101–109, 2004.

[6] C. Liu, J.-L. Guo, Y.-H. Huang, and L.-Y. Zhou. “A novel dual-polarized

antenna with highbisolation and low cross polarization for wireless

communication,” Progress In Electromagnetics Research Letter, Vol. 32,

pp.129-136, 2012.

[7] S.-W. Su. “Printed loop antenna integrated into a compact, outdoor Wlan

access point with dual-polarized radiation,” Progress In Electromagnetics

Research C, Vol. 19, pp.25-35, 2011.

[8] Antar, Y.M.M., Microstrip Antenna design handbook, Antennas and

Propagation Magazine, IEEE, Royal Military College of Canada, April 2003.

[9] John D. Kraus, Ronald J. Marhefka. Antenna for all application, MC-Graw

Hill Companies, INC, 2002.

HVTH: Võ Hồng Ngân

[10] David M. Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Son, INC, 1990.

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. Lý lịch sơ lược

Họ và tên: Võ Hồng Ngân

Giới tính: Nữ

Ngày tháng năm sinh: 13/10/1987

Nơi sinh: Tiền Giang

Địa chỉ: 492/14C, xã Thanh Đức, huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long

Điện thoại liên hệ: 0939616008

Email: vhngan43@gmail.com

II. Quá trình đào tạo

 Đại học:

Thời gian đào tạo: Từ tháng 09 năm 2005 đến tháng 09 năm 2009

Hệ đào tạo: Chính quy

Nơi đào tạo: Đại học Cần Thơ.

Ngành học: Điện tử - Viễn thông

 Thạc sĩ:

Thời gian đào tạo: Từ tháng 10/2011 đến nay.

Nơi đào tạo: Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM

HVTH: Võ Hồng Ngân

Ngành học: Kỹ thuật Điện tử.

Luận văn Thạc sĩ: Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4GHz

Chủ đề:

Luận văn thạc sĩ CNTT

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phần mềm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

VÕ HỒNG NGÂN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CHO ỨNG DỤNG

WLAN 2.4GHz

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, Tháng 12/2014

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Abstract

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN





 eERe



 eE



Chương 3: ANTEN VI DẢI

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu liên quan

Đề án tốt nghiệp: Nâng cao chất lượng dịch vụ tại Công ty Cổ phần Giải pháp Công nghệ Gadget

Luận văn Thạc sĩ: Cải tiến phương pháp đơn hình giải quy hoạch tuyến tính

Luận án Tiến sĩ tóm tắt: Một số phương pháp giải bài toán cân bằng trên tập điểm bất động

Đề án Thạc sĩ: Ứng dụng giải thuật Heuristic giải bài toán bao phủ và kết nối trong mạng cảm biến không dây

Đề án Thạc sĩ: Quy trình tự động hóa triển khai ứng dụng trên GitLab

Đề án Thạc sĩ: Nghiên cứu kỹ thuật kiểm thử sản phẩm Gam và ứng dụng

Đề án Thạc sĩ: Nghiên cứu giải pháp phát hiện mã độc trên nền tảng Android sử dụng học máy và biểu đồ luồng điều khiển

Đề án Thạc sĩ: Xây dựng giả lập hệ thống giám sát sử dụng Prometheus để đánh giá hiệu năng cơ sở dữ liệu MySQL

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Xây dựng thuật toán và ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink điều khiển hệ thống cân băng phối liệu trong công nghệ sản xuất xi măng

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Một phương pháp thiết kế bộ lọc số bậc thấp

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Trích xuất mạch vành và phát hiện bất thường trên mạch vành hỗ trợ trong chẩn đoán

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Trích xuất mạch vành và phát hiện bất thường trên mạch vành hỗ trợ trong chẩn đoán

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của vật liệu khung cơ kim loại trên cơ sở Bismuth

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của vật liệu khung cơ kim loại trên cơ sở Bismuth

Luận án Tiến sĩ: Tác động của trách nhiệm xã hội đến tài sản thương hiệu, sự hài lòng và ý định quay lại của du khách - Trường hợp các điểm đến ở khu vực Đông Nam Bộ, Việt Nam

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Tác động của trách nhiệm xã hội đến tài sản thương hiệu, sự hài lòng và ý định quay lại của du khách - Trường hợp các điểm đến ở khu vực Đông Nam Bộ, Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang trên nền TiO₂, ZnO biến tính bởi chấm lượng tử Graphene pha tạp nitơ và nano bạc

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang trên nền TiO₂, ZnO biến tính bởi chấm lượng tử Graphene pha tạp nitơ và nano bạc

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phát triển các mô hình sinh kế bền vững dựa vào canh tác nông nghiệp của người dân ở vùng đệm Vườn quốc gia Tà Đùng

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phát triển các mô hình sinh kế bền vững dựa vào canh tác nông nghiệp của người dân ở vùng đệm Vườn quốc gia Tà Đùng

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp dung dịch Ferrate (FeO₄²⁻) bằng phương pháp điện hoá và ứng dụng trong xử lý nước thải

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp dung dịch Ferrate (FeO₄²⁻) bằng phương pháp điện hoá và ứng dụng trong xử lý nước thải

Tóm tắt Đề án Thạc sĩ: Đào tạo nguồn nhân lực trong bối cảnh chuyển đổi số tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Đề án Thạc sĩ: Đào tạo nguồn nhân lực trong bối cảnh chuyển đổi số tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Luận án Tiến sĩ: Tác động của văn hoá doanh nghiệp đến năng lực sáng tạo của nhân viên các doanh nghiệp ICT Việt Nam - Nghiên cứu trường hợp Tập đoàn FPT

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok