Thiết kế, mô phỏng, chế tạo anten mạch dải Dual-band cho Wlan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






NGUYỄN VĂN TRÌNH








THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO ANTEN
MẠCH DẢI DUAL-BAND CHO WLAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG















HÀ NỘI – 2014








ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN TRÌNH







THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO ANTEN
MẠCH DẢI DUAL-BAND CHO WLAN




NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203




LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN MINH TUẤN

HÀ NỘI – 2014
1




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Thiết kế, mô phỏng, chế tạo anten
mạch dải dual-band cho WLAN” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS.Trần Minh Tuấn. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình
bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài
liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
cho lời cam đoan của mình.
.


Hà Nội, ngày 25 tháng 4 năm 2014

TÁC GIẢ





Nguyễn Văn Trình

2




LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong

Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã
giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Trần Minh
Tuấn người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên
cứu và hoàn thiện luận văn này.
Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng
nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các
anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc.


Hà Nội, ngày 25 tháng 4 năm 2014

TÁC GIẢ





Nguyễn Văn Trình

3




LỜI CAM ĐOAN 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WLAN 10
1.1. Giới thiệu 10
1.2. Lịch sử phát triển [8] 10
1.3. Các chuẩn WLAN hiện tại [8] 11
1.4. Dải tần hoạt động [8] 14

1.5. Ưu điểm của WLAN 14
1.6. Nhược điểm của WLAN 15
1.7. Ứng dụng mạng không dây. 15
CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ĐƢỜNG TRUYỀN VI DẢI VÀ
ANTEN MẠCH DẢI 16
2.1. Đường truyền vi dải 16
2.1.1. Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải 16
2.1.2. Cấu trúc trường của đường truyền vi dải 16
2.1.3. Các lọai đường truyền vi dải phổ biến [5] 17
2.1.3.1. Đường vi dải (Microstrip Line) 18
2.1.3.2. Các nhánh đồng phẳng (coplanar strips) 19
2.1.3.3. Đường dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide) 20
2.1.3.4. Đường khe (Slotline) 23
2.1.3.5. Đường vi dải treo (Suspended Microstrip) 25
2.1.3.6. Đường vi dải đảo ngược (Inverted Microstrip) 27
2.2. Anten vi dải 29
2.2.1. Cấu trúc anten vi dải 29
2.2.2. Nguyên lý hoạt động [4] 32
2.2.3. Phương Pháp tiếp điện cho anten mạch dải: 33
2.2.3.1. Tiếp điện bằng cáp đồng trục. 33
2.2.3.2. Tiếp điện bằng đường mạch dải. 34
2.2.3.3. Tiếp điện bằng ghép khe 35
2.2.4. Tính phân cực của anten mạch dải 35
2.2.5. Băng thông của anten mạch dải [1] 37
2.2.6. Phương pháp phân tích 37
4

2.2.7. Ưu điểm của anten vi dải 38
2.2.8. Nhược điểm của anten vi dải 38
2.3. Anten vi dải nhiều băng tần 38
2.3.1. Anten vi dải 2 tần số cộng hưởng 38
2.3.2. Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hưởng 40
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN
CHO WLAN 41
3.1. Yêu cầu thiết kế 41
3.2. Phân tích và hướng thiết kế. 41
3.3. Thiết kế. 41
3.3.1. Thiết kế thành phần tiếp điện. 41
3.3.2. Thiết kế thành phần bức xạ 44
3.3.2.1. Tính toán thành phần bức xạ tải dải tần 5 GHz ( tần số 5.2 GHz) 44
3.3.2.2. Thiết kế thành phần bức xạ hoạt động tại dải tần 2.4 GHz. 48
3.4. Chế tạo Anten và đo đạc 58
3.4.1. Chế tạo 58
3.4.2. Đo đạc tham số của anten 59
CHƢƠNG IV: KIỂM TRA THỰC TẾ 63
KẾT LUẬN 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

5




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
CPW
Coplanar waveguide
Ống dẫn sóng đồng phẳng
CCK
Complementary Code Keying
Kỹ thuật điều chế mã bù
DSSS
Direct-Sequence Spread Spectrum
Trải phổ trực tiếp
FCC
Federal Communications
Commission
Ủy ban truyền thông Liên
Bang
FHSS
Frequency Hopping Spread
Spectrum
Trải phổ nhảy tần
IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện các kỹ sư điện và điện
tử
ISM
Industrial, scientific and medical
radio bands
Băng tầng phục vụ công
nghiệp, khoa học và y tế
MIMO
Multiple Input - Multiple Output
Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
TEM
Transverse electromagnetic modes
Sóng điện từ trường nằm
ngang. (Không có thành
phần điện trường và từ
trường theo phương truyền
sóng)
VSWR
Voltage standing wave ratio
Tỷ số sóng đứng điện áp
WLAN

Wireless local area network

Mạng cục bộ không dây






6




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn IEEE quy định cho Wireless LAN [8] 14
Bảng 3.1. Tần số cộng hưởng và băng thông anten hoạt động tại dải tần 5.2 GHz 46
Bảng 3.2. So sánh băng thông anten trước và sau khi cắt đi 1 diện tích 7x7.8 mm 48
Bảng 3.3. Tần số cộng hưởng và băng thông của anten với W1=17.6mm, L1=8.8mm.
W2=L2=9.32mm 50
Bảng 3.4. Tần số cộng hưởng và băng thông của anten với W1=17.6mm, L1=9mm.
W2=L2=9mm 52
Bảng 3.5. Băng thông tương ứng của các dải tần WLAN 53
Bảng 3.6. Băng thông thu được trên thực nghiệm 60
Bảng 3.7. Băng thông tiêu chuẩn của 2 dải tần WLAN [9] 60
Bảng 3.8. Danh sách kênh trong dải tần 2.4 GHz [9] 60
Bảng 3.9. Danh sách kênh trong dải tần 5 GHz [9] 61

7




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Cấu trúc đường truyền vi dải [4] 16
Hình 2.2. Phân b ố trường của đường truyền vi dải [1] 17
Hình 2.3. Các đường vi dải phổ biến [5] 18
Hình 2.4. Hằng số điện môi hiệu dụng và trở kháng đặc tính của đ ường vi dải [5] 19
Hình 2.5. Bước sóng và trở kháng đặc tính của coplanar strips [5] 20
Hình 2.6. Đường dẫn sóng đồng phẳng có mặt phẳng đất nẳm ở trên tấm điện môi [3]
21
Hình 2.7. Đường dẫn sóng đồng phẳng có mặt đất nằm phía dưới tấm điện môi [3] 21
Hình 2.8. Bước sóng và trở kháng đặc tính của coplanar waveguide [5] 23
Hình 2.9. Bước sóng và trở kháng đặc tính của slotline [5] 25

Hình 2.10. Cấu trúc anten vi dải [4] 29
Hình 2.11 (a). Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được sử dụng trong
thực tế [7] 30
Hình 2.11 (b). Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải [7] 30
Hình 2.12. Các cấu hình của một vài dipole mạch in và vi dải. [7] 31
Hình 2.13. Các hình dạng anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện. [7] 32
Hình 2.14. Một vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in. [7] 32
Hình 2.15. Trường E và H của anten mạch dải [4] 33
Hình 2.17. Bức xạ sóng điện từ của anten mạch dải [4] 33
Hình 2.18. Tiếp điện bằng cáp đồng trục [7] 34
Hình 2.19. Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục. [7] 34
Hình 2.20. Tiếp điện bằng đường mạch dải. [7] 34
Hình 2.21. Sơ đồ tương đương khi tiếp bằng đường mạch dải. [7] 34
Hình 2.22. Tiếp điện bằng ghép khe. [7] 35
Hình 2.23. Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe. [7] 35
Hình 2.24. Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải [2] 35
Hình 2.25. Đồ thì bức xạ 3 chiều khi tiếp điện bằng đường mạch dải. [2] 36
Hình 2.26. Tiếp điện bằng 2 đường mạch dải vào hai cạnh của anten. [2] 36
Hình 2.27. Đồ thị bức xạ 3 chiều khi tiếp điện bằng 2 đường mạch dải. [2] 36
Hình 2.28. Hình dạng anten mạch dải 2 băng tần.[1] 39
Hình 3.1. Coplanar Waveguide [3] 42
Hình 3.2. Tính toán kích thước đường CPW bằng phần mềm CST 43
Hình 3.3. Kích thước anten bức tại tại dải tần 5.2 GHz 45
Hình 3.4. Hình dạng 3D của anten 5.2 GHz 45
Hình 3.5. Hệ số S11 của anten 5.2 GHz 46
Hình 3.6. Cắt bỏ 1 diện tích 7x7.8mm trên thành phần bức xạ 5.2 GHz 46
Hình 3.7. Hình dạng của anten 5.2 GHz sau khi căt bỏ 1 diện tích 7x7.8mm 47
Hình 3.9. So sánh kết quả S11 của anten 5.2 GHz trước và sau khi cắt bỏ đi diện tích
7x7.8 mm 48
Hình 3.10. Ghép anten 2.4 GHz vào anten 5.2 GHz 49

Hình 3.11. Hệ số S11 của anten 2.4 GHz và 5.2 GHz 50
Hình 3.12. Anten 2.4 GHz và 5.2 GHz sau khi thay đổi L1, L2 và W2 51
Hình 3.13. Hệ số S11 của anten sau khi thay đổi kích thước 51
Hình 3.14. Hệ số sóng đứng VSWR của anten sau khi thay đổi kích thước 52
Hình 3.15. So sánh kết quả S11 trước và sau khi thay đổi kích thước 52
8




Hình 3.16. Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 2.45 GHz 53
Hình 3.17. Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 5.2 GHz 54
Hình 3.18. Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 5.6 GHz 54
Hình 3.19. Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 5.8 GHz 55
Hình 3.20. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 2.45 GHz 55
Hình 3.21. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 5.2 GHz 56
Hình 3.22. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 5.6 GHz 56
Hình 3.23. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 5.8 GHz 57
Hình 3.24. Hình dạng và kích thước của anten cuối cùng. 58
Hình 3.25. Anten được chế tạo thử nghiệm 59
Hình 3.26. Hệ số Suy hao do phản xạ S11 thực nghiệm 59
Hình 3.27. Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 62
Hình 4.1. Các thiết bị cần thiết 63
Hình 4.2. Thiết lập Wireless Router hoạt động tại kênh 11 băng tần 2.4 GHz 64
Hình 4.3. Kiểm tra kết nối Internet trên card mạng wifi onboard 64
Hình 4.4. Disable card mạng wifi onboard trên máy tính 65
Hình 4.5. Kết nối USB Wifi với anten được chế tạo thử nghiệm vào máy tính 65
Hình 4.6. Hiển thị kết nối mạng của USB Wifi 66
Hình 4.7. Máy tính với USB Wifi nhận biết được mạng DKM Hack 66
Hình 4.8. Kết nối tới mạng DKM Hack 67

Hình 4.9. Ping tới địa chỉ Coltech.vnu.edu.vn 67
Hình 4.10. Kết nối đến webside: Coltech.vnu.edu.vn 68















9




MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự bùng nổ của ngành công nghiệp truyền thông, các phương tiện
thông tin liên lạc cố định cũng như di động đã được sử dụng trong hầu hết mọi hoạt
động sinh hoạt, lao động sản xuất hàng ngày. Đã có rất nhiều hệ thống thông tin vô
tuyến được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người.
Bênh cạnh sự bùng nổ về công nghệ lõi, giữa các nhà sản xuất còn có sự chạy đua về
mặt công nghệ chế tạo để tạo ra những thiết bị di động ngày càng nhỏ gọn, thỏa mãn
nhu cầu di động của con người.

Anten là thiết bị để truyền đạt và thu nhận tín hiệu, nó là thành phần quan trọng
đầu tiên mà mỗi thiết bị di động đều phải có. Để có thể tích hợp trong các thiết bị di
động ngày càng nhỏ, yêu cầu đặt ra là phải thu nhỏ kích thước anten mà vẫn đảm bảo
các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như hiệu suất bức xạ. Từ đầu những năm 1970, sự ra đời và
đi vào ứng dụng của anten vi dải đã giải quyết được phần nào vấn đề này. Đặc điểm
nổi bật của nó là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và đặc biệt đễ dàng tích hợp với hệ
thống xử lý tín hiệu. Ngày nay. Anten vi dải được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ
di động, mang WLAN, anten thông minh và các hệ thống tích hợp siêu cao tần.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu anten vi dải và áp dụng để thiết kế anten cho
hệ thống WLAN hoạt động tại 2 dải tần số 2.4 GHz (2.400 – 2.485 GHz) và 5.2 GHz
(5.180 – 5.320 GHz) [9] theo chuẩn Châu Âu. Trên cơ sở đó, chế tạo và thử nghiệm
anten để chứng minh rằng với kích thước nhỏ gọn, và các chỉ tiêu kỹ thuật đảm bảo,
anten chế tạo ra hoàn toàn có thể tích hợp vào các thiết bị cầm tay hiện nay.
Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và tiến hành mô phỏng, tôi đã tiến hành chế
tạo và thử nghiệm một mẫu anten. Kết quả thực tế cho thấy anten đề xuất có thể hoạt
động tại 1 số kênh tại dải tần WLAN 2.4 GHz và 5.2 GHz. Ngoài ra anten được chế
tạo dải tần còn hoạt động được tại 2 dải tần WLAN khác là 5.500 GHz – 5.700 GHz và
5.745 GHz – 5.825 GHz [9] theo chuẩn Châu Âu. Anten bức xạ đẳng hướng đảm bảo
thu tốt tín hiệu từ mọi phía, kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo. Quá
trình phân tích, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm sẽ được trình bày rõ hơn ở những phần
sau.
Nội dung luận văn gồm 4 Chương như sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về WLAN
Chƣơng 2: Lý thuyết cơ bản về đường truyền vi dải và anten mạch dải
Chƣơng 3: Thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc anten cho WLAN
Chƣơng 4: Kiểm tra thực tế

10

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WLAN
1.1. Giới thiệu
Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học, công nghệ thông tin và viễn thông,
ngày nay các thiết bị di động công nghệ cao như máy tính xách tay laptop, máy tính
bảng, điện thoại di động,… không còn xa lạ và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
những năm gần đây. Nhu cầu truyền thông một cách dễ dàng và tự phát giữa các thiết
bị này dẫn đến sự phát triển của một mạng di động không dây, đó là WLAN. WLAN
cho phép duy trì các kết nối mạng không dây, người sử dụng duy trì các kết nối mạng
trong phạm vị phủ song của các điểm kết nối trung tâm. Phương thức kết nối này thực
sự đã mở ra cho người sử dụng một sự lựa chọn tối ưu, bổ xung cho các phương thức
kết nối dùng dây truyền thống.
WLAN là mô hình mạng được sử dụng cho một khu vực có phạm vi nhỏ như một
tòa nhà, khuôn viên của một công ty, trường hoc,…Nó là loại mạng khá linh hoạt có
khả năng cơ động cao thay thế cho mạng cáp đồng truyền thống và bắt đầu phát triển
vào giữa thập kỉ 80 của thế kỷ XX bởi tổ chức FCC (Federal Communications
Commission). WLAN sử dụng sóng vô truyến hay hồng ngoại để truyền và nhận dữ
liệu qua không gian, xuyên qua tường trần và các cấu trúc khác mà không cần dây cáp.
WLAN cung cấp tất cả các chức năng và các ưu điểm của một mạng LAN truyền
thống như Ethernet hay Token Ring nhưng lại không bị giới hạn bởi dây cáp. Ngoài ra
WLAN còn có khả năng kết hợp với các mạng có sẵn như LAN tạo thành một mạng
năng động và ổn định hơn. Sự phát triển ngày càng tang nhanh của các máy tính xách
tay, điện thoại di động nhỏ gọn hơn, hiện đại hơn và rẻ hơn đã thúc đẩy sự tăng trưởng
rất lớn trong công nghiệp WLAN những năm gần đây.
WLAN sử dụng băng tần ISM (băng tần phục vụ công nghiệp, khoa học, y tế: 2.4
GHz, 5 GHz), vì thế nó không chịu sự quản lý của chính phủ cũng như không cần cấp
phép sử dụng. Sử dụng WLAN sẽ giúp các nước đang phát triển nhanh chóng tiếp cận
với các công nghệ hiện dại, nhanh chóng xây dựng hạ tầng viễn thông một cách thuận
lợi và ít tốn kém.

Ứng dụng lớn nhất của WLAN là việc áp dụng WLAN như một giải pháp tối ưu
cho việc sử dụng Internet. Mạng WLAN được coi như một thế hệ mạng truyền số liệu
mới cho tốc độ cao được hình thành tử hoạt động tương hỗ của cả mạng hữu tuyến
hiện có và mạng vô tuyến. Mục tiêu của việc triển khai mạng WLAN cho việc sử dụng
internet là để cung cấp các dịch vụ vô tuyến tốc độ cao.
1.2. Lịch sử phát triển [8]
Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản
xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900MHz. Những giải pháp
11




này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu
1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện
thời.
Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng
băng tần 2.4 GHz. Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn
nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố
rộng rãi. Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần
số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không
dây chung.
Năm 1997, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) đã phê
chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI (Wireless
Fidelity) cho các mạng WLAN.
Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn
802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu).Và những thiết
bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây
vượt trội. Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4 GHz, cung cấp tốc độ
truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps. IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những

đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật để so sánh với mạng
có dây.
Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể
truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4 GHz và 5 GHz và có thể nâng tốc độ truyền
dữ liệu lên đến 54 Mbps. Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể
tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b.
Năm 2009, IEEE cuối cùng cũng thông qua chuẩn WIFI thế thệ mới 802.11n sau
6 năm thử nghiệm. Chuẩn 802.11n hoạt động tại 2 dải tần số 2.4 GHz và 5 GHz, có
khả năng truyền dữ liệu ở tốc độ 300 Mbps hay thậm chí cao hơn.
Tháng 10/2012: Một chuẩn mới các đặc tả kỹ thuật của mạng wireless LAN tốc
độ cao đã chính thức được phê chuẩn. Chuẩn 802.11ad cho phép tốc độ truyền dữ liệu
lên đến 7 Gbps, cao gấp 10 lần so với tốc độ tối đa cho phép trong chuẩn IEEE 802.11
trước đây, hoạt động tại băng tầng 60 GHz.
Tháng 12/2013, IEEE đã phê chuẩn tiêu chuẩn mới 802.11 ac hoạt động tại dải
tần 5 GHz. 802.11ac sẽ cho tốc độ 800 Mbps cao gấp nhiều lần so với Wi-Fi 802.11n
ở cùng một loại thiết bị và môi trường truyền dẫn.
1.3. Các chuẩn WLAN hiện tại [8]
802.11: Năm 1997, Viện kỹ sư điện và điện tử (IEEE- Institute of Electrical and
Electronics Engineers) đưa ra chuẩn mạng nội bộ không dây (WLAN) đầu tiên – được
12




gọi là 802.11 theo tên của nhóm giám sát sự phát triển của chuẩn này. Lúc này, 802.11
sử dụng tần số 2.4 GHz và dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp (Direct-Sequence Spread
Spectrum-DSSS) nhưng chỉ hỗ trợ băng thông tối đa là 2 Mbps – tốc độ khá chậm cho
hầu hết các ứng dụng. Vì lý do đó, các sản phẩm chuẩn không dây này không còn
được sản xuất nữa.
802.11b: Từ tháng 6 năm 1999, IEEE bắt đầu mở rộng chuẩn 802.11 ban đầu và

tạo ra các đặc tả kỹ thuật cho 802.11b. Chuẩn 802.11b hỗ trợ tốc độ lên đến 11Mbps,
ngang với tốc độ Ethernet thời bấy giờ. Đây là chuẩn WLAN đầu tiên được chấp nhận
trên thị trường, sử dụng tần số 2.4 GHz. Chuẩn 802.11b sử dụng kỹ thuật điều chế
khóa mã bù (Complementary Code Keying - CCK) và dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp
giống như chuẩn 802.11 nguyên bản. Với lợi thế về tần số (băng tần nghiệp dư ISM
2.4 GHz), các hãng sản xuất sử dụng tần số này để giảm chi phí sản xuất. Nhưng khi
đấy, tình trạng "lộn xộn" lại xảy ra, 802.11b có thể bị nhiễu do lò vi sóng, điện thoại
“mẹ bồng con” và các dụng cụ khác cùng sử dụng tần số 2.4 GHz. Tuy nhiên, bằng
cách lắp đặt 802.11b ở khoảng cách hợp lý sẽ dễ dàng tránh được nhiễu. Ưu điểm của
802.11b là giá thấp, tầm phủ sóng tốt và không dễ bị che khuất. Nhược điểm của
802.11b là tốc độ thấp; có thể bị nhiễu bởi các thiết bị gia dụng.
802.11a: Song hành với 802.11b, IEEE tiếp tục đưa ra chuẩn mở rộng thứ hai
cũng dựa vào 802.11 đầu tiên - 802.11a. Chuẩn 802.11a sử dụng tần số 5 GHz, tốc độ
54Mbps tránh được can nhiễu từ các thiết bị dân dụng. Đồng thời, chuẩn 802.11a cũng
sử dụng kỹ thuật trải phổ khác với chuẩn 802.11b - kỹ thuật trải phổ theo phương pháp
đa phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM).
Đây được coi là kỹ thuật trội hơn so với trải phổ trực tiếp (DSSS). Do chi phí cao hơn,
802.11a thường chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp, ngược lại, 802.11b
thích hợp hơn cho nhu cầu gia đình. Tuy nhiên, do tần số cao hơn tần số của chuẩn
802.11b nên tín hiện của 802.11a gặp nhiều khó khăn hơn khi xuyên tường và các vật
cản khác. Do 802.11a và 802.11b sử dụng tần số khác nhau, hai công nghệ này không
tương thích với nhau. Một vài hãng sản xuất bắt đầu cho ra đời sản phẩm "lai"
802.11a/b, nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là cung cấp 2 chuẩn sóng Wi-Fi
cùng lúc (máy trạm dùng chuẩn nào thì kết nối theo chuẩn đó). Ưu điểm của 802.11a
là tốc độ nhanh; tránh xuyên nhiễu bởi các thiết bị khác. Nhược điểm của 802.11a là
giá thành cao; tầm phủ sóng ngắn hơn và dễ bị che khuất.
802.11g: Năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ chuẩn mới hơn được
gọi là 802.11g nổi lên trên thị trường; chuẩn này cố gắng kết hợp tốt nhất 802.11a và
802.11b. 802.11g hỗ trợ băng thông 54Mbps và sử dụng tần số 2.4 GHz cho phạm vi
phủ sóng lớn hơn. 802.11g tương thích ngược với 802.11b, nghĩa là các điểm truy cập

(access point –AP) 802.11g sẽ làm việc với card mạng Wi-Fi chuẩn 802.11b
13




Tháng 7/2003, IEEE phê chuẩn 802.11g. Chuẩn này cũng sử dụng phương thức
điều chế OFDM tương tự 802.11a nhưng lại dùng tần số 2.4 GHz giống với chuẩn
802.11b. Điều thú vị là chuẩn này vẫn đạt tốc độ 54Mbps và có khả năng tương thích
ngược với chuẩn 802.11b đang phổ biến. Ưu điểm của 802.11g là tốc độ nhanh, tầm
phủ sóng tốt và không dễ bị che khuất. Nhược điểm của 802.11g là giá cao hơn
802.11b; có thể bị nhiễu bởi các thiết bị gia dụng.
802.11n: 802.11n được thiết kế để cải thiện tính năng của 802.11g về tổng băng
thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten (gọi là công
nghệ MIMO-multiple-input and multiple-output). 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ lên đến
600Mbps. Chuẩn này sử dụng cả 2 băng tần 2.4 GHz và 5 GHz. 802.11n cũng cho
tầm phủ sóng tốt hơn các chuẩn Wi-Fi trước đó nhờ tăng cường độ tín hiệu.Các thiết bị
802.11n sẽ tương thích ngược với 802.11g.
802.11ac: Chuẩn 802.11ac có khả năng truyền tải dữ liệu cực tốt nhờ băng thông
kênh truyền rộng hơn (tối đa 160 MHz). Băng thông rộng hơn giúp việc truyền dữ liệu
giữa hai thiết bị được nhanh và ổn định hơn.Tốc độ có thể lên tới 800Mbps cao hơn
nhiều lần so với 802.11n. 802.11ac sử dụng công nghệ đa ăng-ten MIMO (Multiple
Input - Multiple Output). Luồng dữ liệu được truyền đi bằng công nghệ đa ăng-ten
MIMO. Nó cho phép thiết bị có thể phát đi cùng lúc nhiều tín hiệu bằng cách sử dụng
nhiều hơn một ăng-ten. Với chuẩn 802.11n chỉ có thể sử dụng tối đa 4 ăng-ten, còn với
chuẩn 802.11ac thì con số này được đẩy lên 8 ăng-ten.Với các thiết bị sử dụng
chuẩn 802.11ac có thể định hướng tín hiệu truyền và nhận gọi là công nghệ tạo một
chùm tín hiệu - Beamforming, tức là nó cho phép bắn các chùm sóng đến đúng mục
tiêu với hiệu suất tốt nhất, giảm nhiễu và những lãng phí trong quá trình truyền tải.
Các thiết bị 802.11ac sẽ tương thích ngược với 802.11n.

802.11 ad: Chuẩn 802.11ad có khả năng đạt được tốc độ thông lượng lên tới 7
Gbps. Chuẩn hoạt động trong dãi băng 60 GHz, khác biệt so với chuẩn 802.11n hoạt
động trong dải băng tần 2.4 GHz và 5 GHz và chuẩn 802.11ac làm việc chỉ trong dải
băng tần 5 GHz. Giống như dải 2.4 và 5 GHz, dải tần 60 GHz hoạt động không cần
cấp phép cho hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới nhưng hơn hẳn tần số của các dãi
băng tần khác, nó cung cấp độ rộng phổ nằm giữa khoảng từ 7 đến 9GHz, lớn hơn rất
nhiều khi so sánh với độ rộng phổ 84 MHz ở 2.4 GHz và 1 GHz ở dải 5 GHz.





14




Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn IEEE quy định cho Wireless LAN [8]
Stt
Tiêu chuẩn
Băng tần
Băng thông

Phương thức
điều chế
Tốc độ tối
đa
MIMO
Anten
1

IEEE 802.11
2.4 GHz
20 MHz
DSSS, FHSS
1; 2Mbit/s
1
2
IEEE 802.11a
5 GHz
20 MHz
OFDM
54Mbit/s
1
3
IEEE 802.11b
2.4 GHz
20 MHz
DSSS
11Mbit/s
1
4
IEEE 802.11g
2.4 GHz
20 MHz
DSSS, OFDM
54Mbit/s
1
6
IEEE 802.11n
2.4/5

GHz
20/40 MHz
DSSS, OFDM
150Mbit/s
4
6
IEEE 802.11ac
5GHz
20/40/80/160
MHz
OFDM
800Mbit/s
8
7
IEEE802.11ad
60GHz
2160 MHz
OFDM
7Gb/s
1
1.4. Dải tần hoạt động [8]
Công nghệ WLAN đang sử dụng 2 băng tần chính hiện nay là 2.4 GHz và 5 GHz,
gồm các chuẩn 802.11 a/b/g/n/ac. Ở dải tần 2.4 GHz, thiết bị truyền dữ liệu hoạt động
tại băng tần số từ 2.4 GHz đến 2,485 GHz. Ở dải tần 5 GHz, các thiết bị truyền dữ liệu
hoạt động tại 3 băng tần số từ: 5.180 GHz đến 5.320 GHz, 5.500 GHz đến 5.700 GHz
và 5.745 GHz đến 5.825 GHz [9] theo chuẩn Châu Âu
1.5. Ƣu điểm của WLAN
- Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường. Nó cho
phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực
được triển khai (nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy

tính xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi.
- Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người
dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Chẳng hạn ở các quán Cafe, người
dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí.
- Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi
khác.
- Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1
access point. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn
trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
- Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số
lượng người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp
15




1.6. Nhƣợc điểm của WLAN
- Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công
của người dùng là rất cao.
- Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động
tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưng với một tòa
nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm
Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng.
- Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín
hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng,….) là không tránh
khỏi. Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng.
- Tốc độ: Tốc độ của mạng không dây (1- 125 Mbps) rất chậm so với mạng sử
dụng cáp (100Mbps đến hàng Gbps).
1.7. Ứng dụng mạng không dây.
Công nghệ mạng ngày nay phát triển mạng rất nhanh, mạng không dây (Wereless

Network) là một điển hình.Các thiết bị không dây giảm giá rất nhanh tạo điều kiện cho
các người dung tiếp xúc nhanh cới công nghệ cao này. Khi thiết kế mạng có dây theo
công nghệ cổ điển ta gặp rất nhiều khó khăn trong những điều kiện môi trường và địa
lý đặc biệt. Mạng không dây là một giải pháp tốt trong các điều kiện và môi trường
sau:
- Xây dựng các mạng tạm thời
- Môi trường, địa hình phức tạp không thể đi dây được như: đồi núi, hải đảo…
- Tòa nhà không thể đi dây mạng hoặc người dùng thường xuyên di động như:
nhà hàng, khách sạn, bệnh viện….
- Những nơi phục vụ internet công cộng như: nhà ga, sân bay, trường học …










16




CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ĐƢỜNG TRUYỀN VI DẢI VÀ
ANTEN MẠCH DẢI

2.1. Đƣờng truyền vi dải
Hệ thống kỹ thuật siêu cao tần trong những ng ày đầu chỉ dùng đường truyền ống

dẫn sóng và cáp đồng trục là chủ yếu, về sau phát triển thêm công nghệ đường truyền
dải và trở nên dần chiếm ưu thế. Ống dẫn sóng có ưu điểm là khả năng truyền tải
công suất lơn, tổn hao nhỏ nhưng kích thước lớn và chi phí cao. Cáp đồng trục cho độ
rộng dải thông lớn và dễ sử dụng nhưng khó kết nối với các thi êt bị siêu cao tần khác.
Công nghệ đường truyền dải đã cung cấp các đường truyền có chi phí thấp, dễ phối
hợp các phần tử cực như diot, tranzito; phạm vi trở kháng đặc tính hợp lý, tổn hao
thấp, dải thông tương đối rộng.
2.1.1. Cấu trúc hình học của đƣờng truyền vi dải
Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in “cấp cao”, bao gồm một dải dẫn điện
bằng đồng hoặc kim loại khác tr ên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi
cũng được phủ đồng gọ i là mặt phẳng đất. Ta thấy mặt phẳng đất l à mặt phản xạ. Do
đó, đường truyền vi dải có thể được xem như là đường truyền gồm 2 dây dẫn.

Hình 2.1. Cấu trúc đƣờng truyền vi dải [4]
Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện w v à chiều cao tấm điện môi h.
Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi t ương đối của chất nền ε
r
. Độ dày
của dải dẫn điện là t và điện dẫn suất là σ là các tham số kém quan trọng h ơn và đôi
khi có th ể bỏ qua.
Ưu điểm chính của mạch vi dải so với mạch dải là tất cả các thành phần tích cực
có thể được đặt ở mặt trên của bản mạch. C òn nhược điểm của nó là khi cần có độ
cách điện cao, chẳng hạn với bộ lọc hay thiết bị chuyển mạch, có thể phải xem xét đến
tấm lá chắn ngo ài.
2.1.2. Cấu trúc trƣờng của đƣờng truyền vi dải
Sóng truyền trên đường truyền vi dải là sóng có dạng gần với TEM (quasi-
TEM). Điều này có nghĩa rằng chỉ có một vài vùng trong đó có một thành phần điện
17

trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng.
Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ quasi -TEM xuất hiện, bởi vì mặt tiếp giáp
giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí. Các đường sức điện
trường không liên tục tại mặt tiếp giáp này. Điều kiện biên cho điện trường là thành
phần tiếp tuyến của điện tr ường phải liên tục khi truyền xuy ên qua biên; do đó một
chất nền có hằng số điện môi là 10, thì điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần so với
trong không khí. M ặt khác, thành phần tiếp tuyến (song song với bề mặt dải dẫn điện)
của điện trường cũng phải liên tục khi xuyên qua biên. Do đó, một phần năng lượng
điện trường được lưu trữ trong không khí v à một phần được lưu trữ trong điện môi.
Hằng số điện môi hiệu dụng đối với các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị hằng
số điện môi không khí v à hằng số điện môi của chất nền.

Hình 2.2. Phân b ố trƣờng của đƣờng truyền vi dải [1]
2.1.3. Các lọai đƣờng truyền vi dải phổ biến [5]
Bao gồm c ó:
- Đường vi dải (microstrip)
- Các nhánh đồng phẳng (coplanar strips)
- Đường dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide)
- Đường khe (slotline)
- Đường vi dải treo (suspended microstrip)
- Đường vi dải đảo ngược (inverted microstrip )
18





Hình 2.3. Các đƣờng vi dải phổ biến [5]

(a) microstrip, (b) coplanar strips; (c) coplanar waveguide; (d) slotline;
(e) suspended microstrip; (f) inverted microstrip
2.1.3.1. Đƣờng vi dải (Microstrip Line)
Gồm một đường dẫn điện có độ rộng W, độ dày t nằm phía trên bề mặt tấm điện
môi có độ d ày h và hằng số điện môi l à ε
r
[5] như được chỉ trên hình 2.3 (a), trở
kháng đặc tính Z
0
tính như sau:

(1.1)
Trong đó:



(1.2)
- Nếu W/h≤1 thì hằng số điện môi hiệu dụng sẽ được tính như sau:
19




(1.3)
- Nếu W/h≥1 thì:
(1.4)
Hai công thức (1.3) và (1.4) sai số trong khoảng 1% nếu:
và 0.05<W/h<20
Và sai số trong khoảng 2% nếu:
và W/h<0.05

Sai số của luôn nhỏ hơn 2% với mọi và W.
Mối quan hệ của hằng số điện môi hiệu dụng và trở kháng đặc tính như được chỉ
ra như trong hình 2.4.

Hình 2.4. Hằng số điện môi hiệu dụng và trở kháng đặc tính
của đ ƣờng vi dải [5]
2.1.3.2. Các nhánh đồng phẳng (coplanar strips)
Gồm 2 đường dẫn điện có độ
rộng W, độ dày t và được phân chia bởi 1 khe hẹp
có đô r ộng S trên bề mặt tấm điện môi. Tấm điện môi này có chiều dày h và hằng số
điện môi là [5] như được chỉ ra trên hình 2.3 (b)
Giả sử với t=0 thì trở kháng đặc tính được tính như sau:
(1.5)
Hằng số điện môi hiệu dụng được tính như sau:
20






(1.6)


Trong đó:
(1.7)
(1.8)
(1.9)
(1.10)
với 1/

(1.11)
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa bước sóng và trở kháng đặc tính được thể hiện
như trong hình 2.5.

Hình 2.5. Bƣớc sóng và trở kháng đặc tính của coplanar
strips [5]
2.1.3.3. Đƣờng dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide)
Gồm một dải dẫn điện ở giữa có độ rộng l à W và khe có đ ộ rộng là S đều có độ
dày t nằm trên chất điện môi có độ dày h và hằng số điện môi l à ε
r
như trên hình 2.3
(c).
Có hai loại đƣờng dẫn sóng đồng phẳng là đường dẫn sóng đồng phẳng có mặt
phẳng đất nằm ở phía tr ên tấm điện môi - "Classic" coplanar waveguide (CPW), như
thể hiện trong hình 2.6 và đường dẫn sóng đồng phẳng có mặt phẳng đất nằm ở phía
21




dưới tấm điện môi (đối diện với mặt phát xạ) - finite ground-plane coplanar
waveguide (FGCPW), như thể hiện trong hình 2.7.

Hình 2.6. Đƣờng dẫn sóng đồng phẳng có mặt phẳng đất
nẳm ở trên tấm điện môi [3]

Hình 2.7. Đƣờng dẫn sóng đồng phẳng có mặt đất nằm
phía dƣới tấm điện môi [3]
-
Với đường

Classic" coplanar waveguide (CPW) [3]:
Trở kháng được tính như sau:

= (1.12)
Trong đó:
= (1.13)

(1.14)

k= , , a=W và b=W+2S (1.15)

, (1.16)

(1.17)

22




(1.18)

Đối với công thức (1.12) ta có:
(1.19)

(1.20)

(1.21)

(1.22)

(1.23)
- Với đường Finite ground-plane coplanar waveguide (FGCPW) [3]:
= (1.24)
k=a/b (1.25)
(1.26)
(1.27)
(1.28)
1.29)

Mối quan hệ giữa bước sóng và trở kháng đặc tính được thể hiện như trong hình
2.8

23





Hình 2.8. Bƣớc sóng và trở kháng đặc tính của coplanar waveguide [5]
2.1.3.4. Đƣờng khe (Slotline)
Bao gồm 1 khe có độ rộng W nằm trên chất điện môi có chiều dày h và hằng số
điện môi [5] như thể hiện trong hình 2.3 (d). Trở kháng đặc tính và hằng số điện
môi hiệu dụng được tính bởi công thức sau:
- Với 0.015≤W/ và 2.2≤ ≤3.8 ( là bước sóng trong không gian tự
do)

(1.30)
Hằng số điện môi hiệu dụng được tính như sau:

(1.31)
- Với 0.075≤W/ và 2.2≤ ≤3.8: