nghiên cứu và thiết kế anten short backfire hoạt động ở tần số 2,44 ghz

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Viện Điện tử-viễn thông
BÁO CÁO
Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN
SHORT BACKFIRE HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ
2,44 GHz
Giáo viên hướng dẫn : PGS-TS. Đào Ngọc Chiến
Học viên thực hiện : Đào Văn Đã
Lớp : 11BKTTT2
Hà Nội, tháng 05/2012
1
Mục lục
1.Giới thiệu
1.1 Tóm tắt
1.2 Đề xuất mô hình Anten
1.2.1 Tần số hoạt động và băng thông
1.2.2

Đặc

tính

bức

xạ

điện

từ

của

anten
1.2.2
Dạng đ
ồ

thị

bức

xạ

(Radiation

pattern)
1.2.4

Vùng

bức

xạ

của

anten

(field

zones)
2. Phân tích và thiết kế Anten
2.1 Mô tả chi tiết mô hình anten
2.1.1

Giới

thiệu

chung
2.1.2

Cấu

tạo

của

anten

short

backfire

cổ

điển
2.1.3

Cơ

sở

để

thiết

kế

anten
2.1.4

Độ

lợi

của

anten

short

backfire
2.1.5

Half

Power

BeamWidth

(HPBW)

của

anten

short

backfire
2.1.6

Mức

búp

sóng

phụ

của

anten

short

backfire
2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán
2.2.1

Tính

toán

các

thông

số

kĩ

thuật

cho

anten
2.2.2

Phương

pháp

tiếp

điện

cho

anten

2.2.3

Tiêu

chuẩn

đánh

giá

anten
2.2.4

Tối

ưu

các

thông

số

kĩ

thuật

cho

anten

3. Thiết lập cho phần mềm mô phỏng ANSOFT HFSS 11.1
3.1.
Các

bước

thiết

kế

cấu

trúc

anten
3.2. Kết quả mô phỏng
4. Kết luận
5. Tài liệu tham khảo
[1]

John

D.Karaus

&

Ronald

J.

Marhefka,

Antennas

For

All

Application.

Third

Edition,
2002.
[2]

Constantine

A.Balanis,

Antenna

Theory-

Analysic

and

Design.

Third

Edition,2005.
[3]

Kyohei

Fujimoto,

Mobile

Antenna

System

Handbook.

Pages:

471-474.

Third

Edition,
2008.
[4]

Ths

Đoàn

Hoàn

Minh

&

Ths

Lương

Vinh

Quốc

Danh,

Bài

giảng

Anten

&

truyền

sóng,

Cần

Thơ,

2004.
[5]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Lê

Hoàng

Thân,

Thiết

kế

Patch

Anten

2.4

GHz

sử

dụng trong

WLAN,
Cần

Thơ,

2009.
[6]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Huỳnh

Ngọc

Tuấn,

Thiết

kế

Patch

Anten

độ

lợi

cao dùng

trong
WLAN

2.4

GHz,

Cần

Thơ,

2009.
[7]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Phan

Hữu

Thạnh,

Thiết

kế

Anten

Yagi

trên

mạch

in

dùng cho

WLAN
2.4

GHz,

Cần

Thơ,

2010.
[8]

User’s

guide

–

Exemples,

Ansoft

Corporation,

2003.
2
1.Giới thiệu
1.1 Tóm tắt
Trong

những

năm

gần

đây,

kỹ

thuật

thông

tin

và

truyền

số

liệu

vô

tuyến

đã

và đang
phát

triển

rất

mạnh

mẽ

trên

khắp

thế

giới.

Nhiều

công

nghệ

và

thiết

bị không

dây

mới
và

hiện

đại

hơn

đã

ra

đời,

trong

số

đó

có

một

thiết

bị

quan

trọng

ra

đời

từ

rất

lâu

và

không
thể

thiếu

trong

bất

kì

hệ

thống

không

dây

nào,

đó

là anten.

Anten

hiện

nay

đa

dạng

về

cấu
trúc

như

anten

dipole,

anten

patch,

anten loa,

các

loại

anten

phản

xạ…vv.

Trong

đó

anten
short

backfire

là

một

loại

anten phản

xạ

có

độ

định

hướng

tốt

và

độ

lợi

rất

cao,

cấu

trúc
đơn

giản,

đã

được

phát triển

từ

những

năm

1960

nhằm

mục

đích

kết

nối

không

dây

điểm

–
điểm

ở

các khoảng

cách

xa.

Bài tiểu luận

này

nghiên

cứu

và

thiết

kế

nên

một

anten

short
backfire hoạt

động

ở

dải

tần

2.44

GHz.

Một

cải

tiến

quan

trọng

trong

việc

thiết

kế

nên
anten

này

là

phần

tử

feed

dipole

là

loại

anten

dipole

mạch

dải

được

làm

trên

nền mạch

in
FR4

có

hằng

số

điện

môi

4.6

thay

vì

sử

dụng

lưỡng

cực

đồng.
Để

chế

tạo

được

anten

mong

muốn,

ta

tiến

hành

tìm

hiểu

cơ sở,

cấu

trúc

và

kích

thước
anten.

Sau

đó

mô

phỏng

trên

phần

mềm

Ansoft

HFSS

và

tiến hành

thiết

kế

một

anten
thực.

Cuối

cùng

ta

tiến

hành

đo

đạc

các

thông

số,

so sánh

kết

quả

mô

phỏng

với

kết

quả
thực

tế

để

đi

đến

thiết

kế, chê tạo

một

anten

tối

ưu

nhất.
1.2 Đề xuất mô hình Anten
1.2.1 Tần số hoạt động và băng thông
Ngày

nay

việc

phát

triển

ứng

dụng

các

phương

pháp

xử

lí

tín

hiệu

cùng

với những
thành

tựu

đạt

được

trong

lĩnh

vực

công

nghệ

vi

điện

tử

và

điện

tử

siêu

cao tần

cho

phép

thiết
lập

nên

nhiều

loại

anten

nhỏ

gọn

với

độ

lợi

rất

cao

phù

hợp

với nhiều

mục

đích

truyền

nhận
thông

tin

khác

nhau.

Việc

nghiên

cứu

và

chế

tạo

nên loại

anten

trên

nền

những

tấm

mạch

in
có

thể

được

coi

là

bước

phát

triển

trong những

thập

niên

gần

đây.

Ngoài

ra

việc

kết

hợp

giữa
những

anten

đơn

để

tạo

nên những

loại

anten

mới

đã

đóng

góp

không

nhỏ

trong

việc

cải
thiện

chất

lượng truyền

nhận

tín

hiệu

trong

các

hệ

thống

không

dây,

đặc

biệt

là

ở

các

cự

li

xa.
Trong

bài tiểu luận

này

tập

trung

nghiên

cứu

và

thiết

kế

nên

một

anten

short backfire
thật

tối

ưu

với

phần

tử

feed

dipole

là

dạng

anten

dipole

vi

dải

đã

được cải

tiến

trên

nền
mạch

in

FR4

có

hằng

số

điện

môi

4.6

và

độ

dày

1.6

mm,

cùng với

mặt

phản

xạ

bằng

nhôm
có

kích

thước

thích

hợp

sử

dụng

cho

dải

tần

2.44GHz.
Short

backfire

antenna

có

thể

được

coi

là

một

dạng

anten

lí

tưởng

cho

việc truyền

nhận

không

dây

ở

cự

li

xa

nhờ

vào

độ

lợi

cao

và

khả

năng

định

hướng

tốt.
Anten

short

backfire

là

loại

anten

đã

được

nghiên

cứu,

chế

tạo

thành

công

và đưa

vào

sử

dụng
trên

thế

giới

cho

việc

kết

nối

không

dây

point

to

point

ở

cự

li

xa. Tuy

nhiên

phần

tử

feed
dipole

thường

được

làm

bằng

lưỡng

cực

đồng,

trong

khi

đó

thiết

kế

phần

tử

feed

dipole

trên
mạch

in

FR4

thì

còn

khá

mới

trên

thế

giới

và

ở

Việt

Nam.

Bài tiểu luận

là

bước

nghiên

cứu
tiếp

theo

trên

cơ

sở

cải

tiến

loại

anten dipole

mạch

dải

(Printed

dipole

antenna)

đơn

giản
trên

nền

mạch

in

FR4

đã

được thiết

kế

thành

công

ở

niên

luận

2.

Bài tiểu luận

nghiên

cứu

cơ

bản

về

anten

short

backfire,

giới

thiệu

cấu trúc

chung

và
những

thuận

lợi

cũng

như

khó

khăn

của

nó.

Tìm

hiểu

phần

mềm Ansoft

HFSS,

sau

đó

tiến

hành

thiết

kế

cấu

trúc

và

mô

phỏng

để

tối

ưu

các

kích thước.

Cuối

cùng

thiết

kế

nên

một
anten

thực

tế

gồm

có

mặt

phản

xạ

bằng

nhôm

và

phần

tử

feed

dipole

được

thiết

kế

trên

nền
mạch

in

FR4

hoạt

động

tốt

ở

tần

số

2.44

GHz.
Nghiên

cứu

các

tài

liệu

hướng

dẫn

sử

dụng

phần

mềm

mô

phỏng

Ansoft HFSS,

sau
đó

tiến

hành

thiết

kế

cấu

trúc

3D

và

mô

phỏng

trên

phần

mềm,

thay đổi

các

kích

thước

sao
cho

đạt

các

yêu

cầu

đề

ra

và

ghi

nhận

lại

các

kết

quả

mô phỏng.

1.2.2

Đặc

tính

bức

xạ

điện

từ

của

anten

Hình

1.2.1

chỉ

ra

đặc

tính

bức

xạ

điện

từ

của

một

anten.

Một

nguồn

điện

thế hình

sin

được
đưa

vào

hai

dây

truyền

sóng.

Khi

nguồn

điện

thế

này

tác

dụng

lên dây

truyền

sóng

sẽ

tạo

ra
một

điện

trường

cũng

có

dạng

hình

sin,

đồng

thời

hình
thành

nên

lực

điện

từ

vuông

góc

với
dây

truyền

sóng.

Những

hạt

electron

tự

do

trên

hai

dây

truyền

sóng

sẽ

bị

tác

động

bởi

lực
3
điện

từ

và

chuyển

động

có

gia

tốc tạo

ra

từ

trường.

Nhờ

vào

sự

thay

đổi

của

từ

trường

và

điện
trường

mà

sóng

điện

từ

được

tạo

ra

và

truyền

đi

trên

dây

truyền

sóng.

Khi

lan

truyền

đến
anten,

sóng

điện

từ

này

sẽ

được

anten

phát

ra

ngoài

không

gian

tự

do.
Hình

1.2.1

Bức

xạ

điện

từ

từ

một

anten
Sóng

điện

từ

tồn

tại

trong

không

gian

sẽ

được

anten

thu

thu

nhận

và

dẫn

về

dây

truyền

sóng
đối

với

hệ

thống

thu.
1.2.2
Dạng đ
ồ

thị

bức

xạ

(Radiation

pattern)
Đồ

thị

bức

xạ

của

anten

đặc

trưng

cho

đặc

tính

bức

xạ

điện

từ

của

anten

trong không
gian.Đồ

thị

bức

xạ

được

định

nghĩa

như

là

một

biểu

thức

toán

học

hay

một

đồ

thị thể

hiện
khả

năng

bức

xạ

của

anten

trong

hệ

trục

tọa

độ

không

gian.

Trong

hầu hết

trường

hợp,

đồ

thị
bức

xạ

được

xác

định

trong

miền

viễn

trường

(far

field)

và được

biểu

diễn

theo

một

hàm

tọa
độ

phương

hướng

nhất

định.

Các

đặc

tính

của

đồ

thị

bức

xạ

gồm

mật

độ

thông

lượng

công
suất,

độ

mạnh

của

trường,

cường

độ

bức

xạ,

độ

định

hướng,

pha

và

sự

phân

cực.
Hình
1.2.2
Đồ

thị

bức

xạ

3D

của

một

anten

định

hướng
1.2.4

Vùng

bức

xạ

của

anten

(field

zones)
Không

gian

bao

quanh

một

anten

thường

được

chia

thành

ba

vùng:

vùng

cận

trường
(Reactive

Near

Field

Region),

vùng

bức

xạ

(Radiating

Near

Field

Region),

vùng

viễn
trường

(FarField

Region)
4
3
Hình

1.2.3

Vùng

bức

xạ

của

anten
Vùng

cận

trường

tập

trung

phần

lớn

năng

lượng

dao

động

tạo

ra

từ

anten mang

tính

chất

điện

kháng,

năng

lượng

sóng

tỏa

ra

được

giữ

nguyên

công

suất

và

không

có

năng

lượng

tiêu

tán.

Giới

hạn

của

vùng

này

thể

hiện

ở

công

thức

(1).

R
1

=

0.62

D

λ
(1)
Với

R
1

khoảng

cách

tính

từ

bề

mặt

anten.
D:

kích

thước

lớn

nhất

của

anten.
λ
:
là

bước

sóng

tự

do.
Vùng

bức

xạ

(còn

gọi

là

Fresnel

zone)

là

vùng

giữa

vùng

cận

trường

và

vùng viễn

trường.

Những

cảm

ứng

của

bức

xạ

yếu

hơn,

trường

phân

bố

theo

góc

là

một

hàm

của

khoảng

cách

tính

từ

anten.

Đường

biên

ngoài

cùng

cho

vùng

này

là:
R
2
= 2D
2

/λ (2)
Với D> λ tiêu chuẩn này dựa trên sự sai pha cực đại π/8. Vùng trường này có đồ thị trường là
một hàm của khoảng cách bán kính.
Vùng viễn trường: Là vùng xa Anten nhất nhưng lại là vùng cần quan tâm nhất khi thiết
kế Anten
Trong vùng này dạng bức xạ của Anten được xác định mà không phụ thuộc vào khoảng cách tính
từ Anten đường biên trong của vùng này là biên ngoài của vùng bức xạ.
2. Phân tích và thiết kế Anten
2.1 Mô tả chi tiết mô hình anten
2.1.1

Giới

thiệu

chung
Short

backfire

antenna

đã

được

Dr.

Hermann

W.

Ehrenspeck

phát

minh

ra

vào năm
1960.

Đây

là

loại

anten

định

hướng,

có

độ

lợi

cao,

búp

sóng

cạnh

nhỏ,

băng thông

hẹp,

kích
thước

nhỏ

hơn

so

với

anten

parabol

.Short

backfire

antenna

thường

được

sử

dụng

trong

kết

nối
điểm

–

điểm

(point

to

point)

và

có

thể

truyền

với

khoảng

cách

rất

xa.

Anten

này

có

thể

kết
nối

2

tòa nhà

cách

xa

nhau

mà

không

có

vật

cản

nào

giữa

chúng

hoặc

có

thể

hướng

trực
tiếp

vào

nhau

để

xuyên

qua

vật

cản.

Ở

những

nơi

việc

lắp

đặt

mạng

có

dây

khó khăn

thì
việc

sử

dụng

anten

short

backfire

để

kết

nối

mạng

là

rất

hiệu

quả.

Tuy nhiên

loại

anten

này
có

búp

sóng

rất

hẹp

nên

khi

kết

nối

phải

hướng

trực

tiếp

vào nhau

thì

mới

kết

nối

được.
5
Hình

2.1.1

Hình

ảnh

thực

tế

của

một

loại

anten

short

backfire
2.1.2

Cấu

tạo

của

anten

short

backfire

cổ

điển
Anten

short

backfire

cổ

điển

có

cấu

tạo

gồm

hai

thành

phần

chính:

+

Reflector:

gồm

2

mặt

phản

xạ

bằng

kim

loại,

mặt

phản

xạ

chính

có

dạng

hình

đĩa

hoặc

chảo

với
đáy

phẳng,

đường

kính

đáy

và

chiều

cao

vành

được

tính

toán

tối

ưu

và

thường

được

tính

theo

một
tỉ

lệ

với

bước

sóng.

Mặt

phản

xạ

phụ

tròn phẳng

nằm

phía

trên

lưỡng

cực

cách

mặt

phản

xạ

chính

một

khoảng

cách

nhất
định

(thường

là

0.5
/
λ

).

định

(thường

là

0.5
/
λ

).

+

Feed:

dạng

lưỡng

cực

bằng

đồng

hay

bằng

vật

dẫn

điện

tốt

đặt

tại

tiêu

điểm

của

mặt

phản

xạ
chính.

Feed

này

được

nối

với

thiết

bị

truyền

và

nhận

tín

hiệu

RF

thông

qua

đường

dây

truyền
dẫn.
Hình

2.1.2

Cấu

trúc

3D

của

anten

short

backfire

cổ

điển
6
Hình

2.1.3

Mặt

cắt

2D

của

anten

short

backfire

cổ

điển
D
l

là

đường

kính

của

mặt

phản

xạ

chính.
H
r

chiều

cao

vành

mặt

phản

xạ

chính.
D
s

đường

kính

của

mặt

phản

xạ

phụ.
D
d

độ

dài

của

lưỡng

cực.
H
s

khoảng

cách

giữa

hai

mặt

phản

xạ.
H
d

khoảng

cách

giữa

lưỡng

cực

và

mặt

phản

xạ

chính.
2.1.3

Cơ

sở

để

thiết

kế

anten
Anten

được

thiết

kế

một

phần

dựa

trên

mô

hình

anten

short

backfire

đã

được chế

tạo
và

đưa

vào

sử

dụng

rộng

rãi

trên

thế

giới

(hình

2.1.4),

một

phần

trên

cơ

sở cải

tiến

loại
anten

dipole

vi

dải

bằng

cách

thêm

chấn

tử

để

tăng

độ

lợi

cũng

như

độ

định

hướng.

7
Hình

2.1.4

Cấu

trúc

anten

short

backfire
Hình

2.1.5

Cấu

trúc

và

thông

số

kĩ

thuật

của

anten

dipole

mạch

dải
Hình

2.1.6

Hình

ảnh

thực

tế

của

anten

dipole

mạch

dải
Trong

hình

2.1.4

ta

thấy

anten

short

backfire

đang

sử

dụng

hiện

nay

cấu

tạo

gồm

2

mặt

phản

xạ

đáy

phẳng

và

một

feed

dipole

đặt

ở

tâm

của

mặt

phản

xạ

chính. Hình

2.1.5

là

loại

anten

dipole

được

làm

hoàn

toàn

trên

mạch

in

FR4.

Kết

hợp

2 loại

anten

này

để

thiết

kế

nên

loại

anten

short

backfire

cải

tiến

với

phần

tử

feed dipole

làm

từ

đồng

sẽ

được

thay

thế

bởi

feed

dipole

làm

hoàn

toàn

trên

nền

mạch

in

FR4

có

thêm

chấn

tử

để

đạt

độ

lợi

cũng

như

đáp

ứng

đầy

đủ

đặc

tính

của

một

anten

short

backfire

hoạt

động

tốt

ở

dải

tần

2.44

GHz.
2.1.4

Độ

lợi

của

anten

short

backfire
Anten

short

backfire

là

loại

anten

được

tác

giả

phát

minh

ra

từ

quá

trình

nghiên

cứu

thực
nghiệm

nên

độ

lợi

cũng

như

các

thông

số

cơ

bản

khác

của

anten

được

tác

giả

rút

ra

từ

thực
nghiệm.
Độ

lợi

của

anten

short

backfire

dao

động

trong

khoảng

từ

12

dB

đến

15

dB. Hình

2.16
cho

ta

thấy

độ

lợi

của

anten

theo

các

giá

trị

khác

nhau

của

D
l

và

D
s
.

Độ

lợi

cực

đại

của

anten
8
khoảng

15

dB

với

D
s

có

kích

thước

từ

0.5
λ


đến

0.7
λ

và

D
l

khoảng

2.24
Hình

2.1.7

Đồ

thị

biểu

diễn

độ

lợi

của

anten

short

backfire
Các

thông

số

D
l
,

D
s

và

H
r

là

các

thông

số

có

ảnh

hưởng

rất

lớn

đến

độ

lợi

của anten.

Vì

vậy
khi

thiết

kế

loại

anten

này

ta

cần

tối

ưu

các

thông

số

trên

để

đạt được

độ

lợi

tốt

nhất.
2.1.5

Half

Power

BeamWidth

(HPBW)

của

anten

short

backfire

Một

thông

số

có

ảnh

hưởng

rất

lớn

đến

sự

tăng

giảm

HPBW

của

anten

đó

là kích

cỡ
đường

kính

D
s

của

mặt

phản

xạ

phụ.

Khi

D
s

càng

lớn

thì

HPBW

càng nhỏ

và

ngược

lại

D
s
càng

nhỏ

thì

HPBW

càng

lớn.

Hình

2.1.8

cho

ta

thấy

HPBW
của

anten

với

các

giá

trị

khác

nhau

của

D
s.
9
Hình

2.1.8

Đồ

thị

thể

hiện

HPBW

của

anten
2.1.6

Mức

búp

sóng

phụ

của

anten

short

backfire
Anten

short

backfire

thuộc

loại

anten

phản

xạ

định

hướng

tốt

nên

việc

hình thành

các

búp

sóng

phụ

là

điều

không

mong

muốn.

Tuy

nhiên

việc

loại

bỏ

các búp

sóng

phụ

là
không

thể

mà

chỉ

có

thể

giảm

đến

mức

nhỏ

nhất.

Hình

2.1.9

cho ta

thấy

mức

búp

sóng

cạnh
theo

các

giá

trị

khác

nhau

của

chiều

cao

vành

H
r

mặt phản

xạ

lớn.

Ta

có

thể

thấy

rằng

việc
xác

định

chính

xác

kích

thước

H
r

là

rất quan

trọng,

nó

đóng

vai

trò

quyết

định

trong

việc
giảm

mức

búp

sóng

phụ

đặc

biệt

là

búp

sóng

cạnh

của

anten

short

backfire.
Hình

2.1.9

Mức

búp

sóng

cạnh

của

anten
2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán
10
2.2.1

Tính

toán

các

thông

số

kĩ

thuật

cho

anten
Việc

tính

toán

lí

thuyết

để

đưa

ra

các

thông

số

kĩ

thuật

cho

anten

chỉ

mang tính
chất

ước

lượng,

mục

đích

là

để

làm

cơ

sở

xây

dựng

nên

cấu

trúc

ban

đầu

cho anten.

Từ

các
thông

số

này

ta

sẽ

đưa

ra

các

thông

số

tối

ưu

bằng

cách

mô

phỏng trên

phần

mềm

Ansoft
HFSS.
Hình

2.2.1

Cấu

trúc

ban

đầu

của

anten
Các

thông

số

về

mặt

lí

thuyết

được

tính

toán

như

sau:
Tần

số

hoạt

động

của

anten

f
0

=

2.44

GHz. Mạch

inFR4

với:
-

Hằng

số

điện

môi

λ

r

=

4.6
-

Độ

dày

mạch

in

h

=

1.6

mm.
-

Suy

hao

điện

môi

0.022
Ta

chọn

độ

rộng

dải

dẫn

của

feed

dipole

là

W

=

6

mm. Hằng

số

điện

môi

hiệu

dụng:
Độ dài amr dipole L
d
chọn λ/4 với λ là bước sóng được tính theo công thức sau:
Trong đó: λ = 3.10
8
m/s
L
d
= 16mm = L
b
+ L
h
Đối với loại 2 chấn tử thêm vào thì ta chọn chấn tử 1 ta chọn độ rộng 6mm độ dài là

Và cách arm dipole khoảng cách λ/4 ta chọn chấn tử 2 có độ rộng 6mm và độ dài 2L
d
= 32mm
cách chấn tử 1 là 4 mm, đối với mặt phản xạ ta chọn đường kính 4λ vành mặt phản xạ cao λ/2
Các

thông

số

kĩ

thuật

khác

ta

sẽ

chọn

giá

trị

phù

hợp

sau

đó

tiến

hành

mô

phỏng

để

tối

ưu

lại.
2.2.2

Phương

pháp

tiếp

điện

cho

anten
Khi

thiết

kế

anten

thì

phương

pháp

tiếp

điện

cần

được

chọn

lựa

một

cách

hợp

lí,

nó
quyết

định

đến

khả

năng

phối

hợp

trở

kháng

giữa

anten

và

feeder.

Đối

với anten

đang

thiết
kế

thì

feed

dipole

làm

trên

mạch

in

nên

các

phương

pháp

tiếp điện

cho

loại

anten

này

tương
11
tự

như

anten

vi

dải.

Và

phương

pháp

được

chọn

là tiếp

điện

bằng

đường

vi

dải,

đây

là
phương

pháp

đơn

giản

và

được

thực

hiện

dễ dàng,

đảm

bảo

tốt

việc

phối

hợp

trở

kháng.
2.2.3

Tiêu

chuẩn

đánh

giá

anten
Khi

thiết

kế

anten

ta

phải

chú

ý

đến

các

thông

số

như

tổn

hao

phản

xạ

S11,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

sau:
-
Tỷ

số

sóng

đứng

VSWR

<

2

ở

dải

tần

hoạt

động.
-
Tổn

hao

phản

xạ

S11

<

-10

dB

ở

dải

tần

hoạt

động.
-
Độ

lợi

Gain

>

13

dB.

-
Tần

số

cộng

hưởng:

2.44

GHz.
-
Đồ

thị

bức

xạ

có

búp

sóng

nhọn,

định

hướng

tốt.
2.2.4

Tối

ưu

các

thông

số

kĩ

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:
+

Đường

kính

mặt

phản

xạ

260

mm.
+

Chiều

cao

vành

mặt

phản

xạ

63

mm.
+

Các

thông

số

kĩ

thuật

của

feed

dipole

như

hình
2.2.2

Hình 2.2.2 Kích thước anten
3. Thiết lập cho phần mềm mô phỏng ANSOFT HFSS 11.1
3.1.
Các

bước

thiết

kế

cấu

trúc

anten
+

Đầu

tiên

khởi

động

Ansoft

HFSS

và

chọn

File/New

để

tạo

Project

mới
12
Hình

P.1

Giao

diện

trong

Ansoft

HFSS

+

Chọn

đơn

vị:

vào

Modeler/Units,

sau

đó

ta

chọn

đơn

vị

đo

là

mm.
+

Vẽ

lớp

mạch

in:


Chọn

Draw/Box

hay

sử

dụng

trên

thanh

công

cụ.

Sau

đó

trên

màn

hình

sẽ

hiển

thị

như

hình

P.2

bên

dưới.
Hình

P.2

Nhập

tọa

độ

các

khối

cần

vẽ


Ở

các

ô

X,

Y,

Z

ta

lần

lượt

nhập

vào

vị

trí

của

lớp

mạch

in

mà

ta

muốn

tạo ra

và

sau

đó

nhấn

Enter.

Ta

sẽ

nhập

tiếp

vào

các

ô

dX,

dY,

dZ

là

các

kích

thước dài,

rộng,

cao

của

lớp

mạch

in.

Các

giá

trị

được

nhập

thể

hiện

trong

bảng

1
X Y Z dX dY dZ
-0.8 -10 0 1.6 20 24.5
13
-0.8 -24.25 24.5 1.6 48.5 42.5
Bảng

1.

Kích

thước

của

lớp

mạch

in
Sau

khi

tạo

xong

lớp

nền

mạch

in

ta

có

kết

quả

như

hình

P.3
Hình

P.3

Vẽ

lớp

mạch

in

cho

anten


Tiếp

theo

ta

chọn

cả

2

khối,vào

Modeler/Boolean/Unite

để

nhóm

2

khối này

lại

làm

1.
Để

chọn

chất

liệu

là

FR4

cho

khối

vừa

tạo,

ta

có

thể

chọn

trên

thanh

công

cụ

hay

ta

có

thể

R-click

trên

khối

và

chọn

Assign

Material

và

chọn

tiếp

FR4-epoxy.
Tất

cả

các

thông

số

vừa

tạo

có

thể

vào

hộp

thoại

Properties

để

thay

đổi

lại

nếu cần.
+

Vẽ

microstrip

line,

ground

plane

và

các

chấn

tử

cho

feed

dipole

ta

làm

tương

tự.

Độ

cao

của

khối

chính

là

độ

dày

của

lớp

đồng

phủ

trên

mạch

in.

Các

giá

trị được

thể

hiện

như

sau:
X
Y
Z
dX
dY
dZ
0.8
10.5
26
0.05
21
3.5
0.8
-1.5
0
0.05
3
26
Bảng

2.

Kích

thước

của

microstrip

line
X
Y
Z
dX
dY
dZ
-0.8
-7.5
0
-0.05
15
10
-0.8
0.5
10
-0.05
5
16
-0.8
-5.5
10
-0.05
5
16
-0.8
1.5

26
-0.05
3
3
-0.8
-4.5
26
-0.05
3
3
-0.8
1.5
29
-0.05
19
6
-0.8
-20.5
29
-0.05
19
6
14
-0.8
-24
53
-0.05
48
6
-0.8

-20.75
61
-0.05
41.5
6
Bảng

3.

Kích

thước

của

ground

plane

và

chấn

tử
Sau

khi

vẽ

xong

các

khối

ta

Unite

các

khối

lại

giống

như

khi

tạo

lớp

mạch

in. Tiếp

theo

ta
chọn

vật

liệu

cho

khối

này

là

Copper.

Ta

có

thể

vào

hộp

thoại Properties

để

thêm

các
thuộc

tính

như:

tên,

màu

và

độ

trong

suốt.

Kết

quả

thể hiện

như

hình

P.4.
Hình

P.4

Vẽ

microstrip

line,

ground

plane

và

chấn

tử

cho

feed

dipole

+

Để

vẽ

mặt

phản

xạ

cho

anten

ta

vào

Draw/Cylinder

Vị

trí:

0,

0,

0.

Bán

kính

130

mm,

chiều

cao

63

mm.

Tiếp

theo

ta chọn

mặt

trên

cùng

sau

đó

vào

Modeler/Surface/Uncover

Faces

để

xóa

bỏ

nó. Bây

giờ

ta

đã

tạo

xong

mặt

phản

xạ.
15
Hình

P.5

Giao

diện

sau

khi

tạo

xong

chảo

phản

xạ
+

Tiếp

theo

ta

sẽ

tạo

port

cho

anten.

Port

là

nơi

ta

đưa

tín

hiệu

vào

anten,

có

hai

cách

đặt

port
là:

đặt

port

ngang

và

đặt

port

đứng.

Đặt

port

ngang

được

miêu

tả

là

một

mặt

phẳng

vuông

góc

với

feed

line

với

kích

thước

phù

hợp

với

các đường

phối

hợp

trở

kháng.

Đặt

port

đứng
thì

chúng

ta

cần

tạo

một

hình

trụ

xuyên qua

lớp

mạch

in,

hình

trụ

có

đường

kính

bằng

với

đường

phối

hợp

trở

kháng.

Ở đây

ta

sử

dụng

kiểu

đặt

port

ngang

để

cấp

nguồn

cho

đường

vi

dải.
Ta

dùng

Draw

Rectangle

trên

thanh

công

cụ

để

vẽ

port.

Port

được

đặt

từ

vị

trí

ground

plane
của

feed

dipole

đi

lên.

Ở

đây

ta

chọn

kích

thước

port

là

9.6

mm

x

14.5

mm.
Để

quy

định

loại

port,

ta

chọn

HFSS>Excitations>Assign>wave

port,

cửa

sổ

hiện

ra

như

hình

P.7

ta

thiết

lập

các

thông

số

cho

port.
Ta

tiếp

tục

chọn

Next

và

chọn

New

line,

sau

đó

vẽ

mũi

tên

đi

từ

vị

trí

ground plane
tới

microstrip

line

và

chọn

điện

trở

ngõ

vào

là

50

Ohm

và

cuối

cùng

là chọn

Ok

để
hoàn

thành,

ta

được

kết

quả

như

hình

bên

dưới.
+

Để

chọn

chất

liệu

cho

mặt

phản

xạ,

ta

click

chọn

phần

vành

mặt

phản

xạ

và vào
HFSS>Boundaries>

Assign>

Finite

Conductivity,

cửa

sổ

hiện

ra

ta

check vào

ô

Use
Material

và

chọn

chất

liệu

là

nhôm

(Aluminium).

Đối

với

đáy

mặt phản

xạ

ta

làm
tương

tự

nhưng

check

luôn

ô

Infinite

Ground

Plane

để

khai

báo đây

là

mặt

phản

xạ

của
anten.
3.2. Kết quả mô phỏng
Sau

khi

đưa

ra

các

thông

số

kĩ

thuật

tối

ưu

cho

anten,

ta

tiến

hành

thiết

kế

và mô

phỏng
anten

với

các

thông

số

đó

trên

phần

mềm

Ansoft

HFSS.
16
Hình

3.1.1

Anten

được

thiết

kế

trong

Ansoft

HFSS

Các

kết

quả

mô

phỏng

theo

thông

số

kĩ

thuật

tối

ưu

của

anten

với

feed

dipole làm

trên

nền

mạch

in

FR4

có

hằng

số

điện

môi

4.6

và

độ

dày

1.6

mm

được

thể

hiện

như

sau:


Độ

định

hướng

(Directivity):
Hình

3.1.2

Đồ

thị

3D

thể

hiện

độ

định

hướng

của

anten
17


Độ

lợi

(Gain):
Hình

3.1.3

Đồ

thị

3D

thể

hiện

độ

lợi

của

anten
Độ

định

hướng

cực

đại

của

anten

là

14.7

dB,

độ

lợi

cực

đại

là

13.8

dB.

Các

kết quả

này

cơ

bản

đã

đạt

yêu

cầu

đề

ra.


Đồ

thị

bức

xạ

tính

theo

dB

và

mag:

Hình

3.1.4

Đồ

thị

bức

xạ

tính

theo

dB
18
Hình

3.1.5

Đồ

thị

bức

xạ

tính

theo

mag
Từ

đồ

thị

bức

xạ

hình

3.1.4

và

3.1.5,

ta

thấy

đây

là

loại

anten

định

hướng

tốt với

búp

sóng

phụ

rất

nhỏ,

búp

sóng

chính

rộng

khoảng

35

độ.


Return

loss

(S11):
Hình

3.1.6

Đồ thị S
11

tính

theo

dB
19
Từ

kết

quả

trên,

ta

thấy

anten

cộng

hưởng

tại

tần

số

2.44

GHz

với

Return

Loss bằng

-32.2

dB.

Kết

quả

này

đã

đáp

ứng

tốt

yêu

cầu

đề

ra.


Tỉ

số

sóng

đứng

VSWR:
Hình

3.1.7 Tỉ

số

sóng

đứng

của

anten

tính

theo

mag
Tại

tần

số

cộng

hưởng

2.44

GHz,

VSWR

=

1.05,

kết

quả

này

cho

thấy

việc

phối

hợp
trở

kháng

cho

anten

được

thực

hiện

rất

tốt.

Qua

các

kết

quả

mô

phỏng

trên,

ta

thấy

hầu

hết

các
kết

quả

đều

đạt

yêu

cầu

đề

ra.

Anten

hoạt

động

tốt

ở

dải

tần

từ

2.4

GHz

đến

2.476

GHz,

tốt
nhất

tại

tần

số

2.44

GHz.

Băng

thông

của

anten

khoảng

76

MHz

rất

hẹp

so

với

các

loại
anten khác,

tuy

nhiên

đây

có

thể

coi

là

giá

trị

đặc

thù

của

loại

anten

định

hướng

như short
backfire.
Sau

khi

mô

phỏng

thành

công

ta

tiến

hành

thiết

kế

anten

thực

tế

và

đo

đạt

các kết

quả.
Tuy

nhiên

kết

quả

thực

tế

lại

có

sự

sai

lệch

so

với

mô

phỏng.

Do

chưa

có đầy

đủ

thiết

bị

đo
đạc

cần

thiết

nên

chỉ

có

thể

thấy

được

khác

biệt

như

sau:
Độ

lợi

của

anten

khi

đo

đạt

là

khoảng

14

dB

tại

tần

số

2.24

GHz,

khoảng

13 dB

tại

tần
số

2.44

GHz.

Điều

này

cho

thấy

tần

số

cộng

hưởng

của

anten

khi

đo đạt

là

khoảng

2.24

GHz
trong

khi

mô

phỏng

giá

trị

này

là

2.44

GHz.
Sự

sai

lệch

này

được

giải

thích

là

do

hằng

số

điện

môi

của

lớp

nền

mạch

in FR4

không

chính

xác

là

4.6

mà

có

thể

cao

hơn.

Đối

với

loại

mạch

in

FR4

được dùng

trong

đề

tài
này

thì

hằng

số

điện

môi

thay

đổi

theo

các

giá

trị

tần

số

khác nhau,

không

có

một

giá

trị

cố
định

nên

không

thể

đưa

ra

kết

quả

đồng

nhất

giữa mô

phỏng

và

thực

tế.

Tuy

nhiên

trong
quá

trình

thực

hiện

đề

tài

khi

mô

phỏng anten

với

các

giá

trị

hằng

số

điện

môi

khác

nhau
thì

thấy

rằng:

khi

hằng

số

điện môi

của

lớp

nền

càng

lớn

thì

tần

số

cộng

hưởng

càng

nhỏ

và
ngược

lại
.
Để

có

thể

thiết

kế

anten

thực

tế

đạt

tần

số

cộng

hưởng

tại

2.44

GHz

ta

thực hiện

theo

2
phương

pháp

sau:
Phương

pháp

thứ

nhất:

Giữ

nguyên

hằng

số

điện

môi

là

4.6

tối

ưu

lại

các

kích

thước
anten

sao

cho

mô

phỏng

đạt

tần

số

cộng

hưởng

2.64

GHz

để

khi

thiết

kế

thực

tế

nó

dịch
xuống

2.44

GHz.

Tuy

nhiên

phương

pháp

này

việc

dịch

tần

số

cộng

hưởng

một cách

tuyến
tính

là

không

hợp

lí,

cho

kết

quả

không

đạt

yêu

cầu,

vì

vậy

ta

sẽ

áp dụng

phương

pháp

thứ
20
hai.
Phương

pháp

thứ

hai:

Thay

đổi

hằng

số

điện

môi

FR4

lên

giá

trị

cao

hơn

sau

đó

tối

ưu

lại
các

kích

thước

anten

sao

cho

nó

cộng

hưởng

tại

tần

số

2.44

GHz.
P
hương

pháp

này

với

giá
trị

hằng

số

điện

môi

là

5

nhưng

khi

đo

đạc

thì

tần

số

cộng

hưởng

vẫn

thấp

hơn

so

với

mô
phỏng,

điều này

cho

thấy

mạch

in

FR4

đang

sử

dụng

có

hằng

số

điện

môi

cao

hơn

5.

Để

khắc
phục

nhược

điểm

trên,

chúng ta có thể sử

dụng

hằng

số

điện

môi

bằng

5.4. Các

thông

số

kĩ
thuật

được

tối

ưu

lại

như

sau:
+

Mặt

phản

xạ

được

giữ

nguyên

đường

kính

260

mm,

chiều

cao

vành

mặt phản

xạ

63
mm.
+

Thông

số

kĩ

thuật

của

feed

dipole

sau

khi

thay

đổi

có

kích

thước

như

hình

3.17.
Hình

3.1.8

Thông

số

kĩ

thuật

feed

dipole

khi

mô

phỏng

với

hằng

số

điện

môi

5.4
4. Kết luận

Kết

quả

về

độ

lợi

và

tần

số

cộng

hưởng

thu

được

qua

mô

phỏng

trên

phần mềm
Ansoft

HFSS

và

khảo sát

thực

tế,

về

cơ

bản

có thể chế tạo

được

một

anten

có

khả

năng
hoạt

động

tốt

ở

tần

số

2.44

GHz.
Tuy nhiên l
ớp

nền

mạch

in

FR4

có

giá

trị

hằng

số

điện

môi
và

độ

dày

không

chính xác

làm

cho

quá

trình

tối

ưu

anten

gặp

nhiều

khó

khăn,

dẫn

đến

kết
quả

thực

tế
sẽ
sai

lệch
về

tần

số

cộng

hưởng

và

độ

lợi.
Việc

chế

tạo

anten

cần phải có độ chính sác cao mới đảm không sai lệch giữa mô phỏng và thi
công thực tế
.

Đối

với

anten

short

backfire

thì

kích

thước

đường

kính

và

độ

cao

vành

mặt
phản

xạ

có

ảnh

hưởng

rất

lớn

đến

việc

tăng

độ

lợi,

tính

định

hướng

và

giảm

búp sóng

cạnh
cho

anten

nên

việc

tối

ưu

hai

kích

thước

này

là

rất

quan

trọng.
Tóm

lại

đã

mô

phỏng

theo lựa chọn, tính toán kích thước tối ưu để thiết kế và chế tạo ra
anten

short

backfire

hoạt

động

tốt

ở

dải

tần

số

2.44

GHz

với

độ

lợi

tương

đối

cao.
Tuy vậy
cần

tối

ưu

các

thông

số

kĩ

thuật

của

anten

hơn

nữa

để

anten

cộng

hưởng

tốt nhất

tại

tần

số
2.44

GHz.

Thiết

kế

feed

dipole

trên

tấm

mạch

in

FR4

có

chất

lượng

tốt,

độ

dày

nhỏ,
hằng

số

điện

môi

thấp

và

chính

xác

để

giảm

suy

hao

điện

môi

và

tăng

băng

thông cho

anten.
21
Cần phải
thêm

chấn

tử

để

tăng

độ

lợi

và

độ

định

hướng

cho

anten

nhưng

vẫn

đảm

bảo tính

gọn

nhẹ

cho
anten
.
Cải

tiến

anten

theo

hướng

đa

phân

cực

và

đa

băng

để

anten

sử

dụng

được

nhiều
dãy

tần

số

khác

nhau.
5. Tài liệu tham khảo
[1]

John

D.Karaus

&

Ronald

J.

Marhefka,

Antennas

For

All

Application.

Third

Edition,
2002.
[2]

Constantine

A.Balanis,

Antenna

Theory-

Analysic

and

Design.

Third

Edition,2005.
[3]

Kyohei

Fujimoto,

Mobile

Antenna

System

Handbook.

Pages:

471-474.

Third

Edition,
2008.
[4]

Ths

Đoàn

Hoàn

Minh

&

Ths

Lương

Vinh

Quốc

Danh,

Bài

giảng

Anten

&

truyền

sóng,

Cần
Thơ,

2004.
[5]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Lê

Hoàng

Thân,

Thiết

kế

Patch

Anten

2.4

GHz

sử

dụng trong

WLAN,
Cần

Thơ,

2009.
[6]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Huỳnh

Ngọc

Tuấn,

Thiết

kế

Patch

Anten

độ

lợi

cao dùng

trong
WLAN

2.4

GHz,

Cần

Thơ,

2009.
[7]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Phan

Hữu

Thạnh,

Thiết

kế

Anten

Yagi

trên

mạch

in

dùng cho

WLAN
2.4

GHz,

Cần

Thơ,

2010.
[8]

User’s

guide

–

Exemples,

Ansoft

Corporation,

2003.
22