thiết kế patch anten chữ e phân cực tròn cho ứng dụng wlan 2 4 ghz

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒNG VĂN TÂM

THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC
TRÒN CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 4 2 0 5

Tp. Hồ Chí Minh,tháng 3 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒNG VĂN TÂM

THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN
CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒNG VĂN TÂM

THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN
CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:

TS. LƯƠNG VINH QUỐC DANH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013


LÝ LỊCH CÁ NHÂN
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Hồng Văn Tâm
Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1978

Giới tính: Nam
Nơi sinh: Cần Thơ

Quê quán: Kiên Giang
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 160B4/15, Khu vực I, Phường An Khánh, Quận
Ninh Kiều, TP. Cần Thơ.
Điện thoại cơ quan: 0710.3893488
Fax: 0710.3896097

Điện thoại nhà riêng: 0710.3899990
E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 1998 đến 2003

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đa ̣i Ho ̣c Giao Thông Vận Tải cơ sở 2, TP.
HCM.
Ngành học: Kỹ thuật Viễn Thông
Tên đồ án, luận án tốt nghiệp: Các tổng đài đa dịch vụ trong mạng thế hệ sau
(NGN).
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: ngày 27/05/2003 tại Trường
Đa ̣i Ho ̣c Giao Thông Vận Tải cơ sở 2.
Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Quang Thịnh
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

2003÷2008

Công ty Viễn Thông Cần Thơ-Hậu Giang

Nhân viên kỹ thuật

2008÷2010

Chi nhánh Mobitechs Cần Thơ

Trưởng phòng kỹ thuật

2010÷nay

Trung tâm Vinaphone 2

Nhân viên kỹ thuật

Trang i

Công việc đảm nhiệm


Các công trình nghiên cứu khoa học, bài báo: "A Circularly Polarized E-Shaped
Patch Antenna with Improved Bandwidth for 2.4-GHz WLAN Applications" đã được
đăng trong Kỷ yếu Hội thảo giữa NTUST và ĐH Cần Thơ vào ngày 28-29 /10/2013
và Kỷ yếu Hội nghị NAFOSTED lần thứ nhất về Khoa học Thông tin và Máy tính
(NICS'14) vào ngày 13-14 /03/2014.

Trang ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hồng Văn Tâm

Trang iii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin đươ ̣c gửi lời cảm ơn đế n Ban Giám Hiê ̣u

, các Thầy , Cô

trong khoa Điê ̣n -Điê ̣n Tử trường Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Thành Phố Hồ Chí
Minh, đã tâ ̣n tình chỉ dạy , truyề n đa ̣t kiế n thức và tạo điều kiện thuận lợi cho em
trong suố t quá trình ho ̣c tâ ̣p vừa qua.
Đặc biệt em xin chân thành gửi đến Thầy

Ts.Lƣơng Vinh Quố c Danh lời

cảm ơn sâu sắc. Trong thời gian thực hiê ̣n đề tà i Thầ y đã quan tâm theo dõi , tâ ̣n tình
hướng dẫn và đô ̣ng viên để em hoàn thành tố t luâ ̣n văn này .
Em xin gửi lời cảm ơn đế n các ba ̣n ho ̣c viên cùng lớp đã nhiê ̣t tin
̀ h hổ trơ ̣ về
vâ ̣t chấ t cũng như những lời góp ý đô ̣ng viên để em hoàn thành luâ ̣n văn này .
TP. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014
Học viên

Hồng Văn Tâm

Trang iv


TÓM TẮT
Luận văn này trình bày về một thiết kế patch anten vi dải phân cực tròn cấ p
nguồ n đơn băng rộng cho ứng du ̣ng WLAN 2.4GHz. Patch anten đề xuất là sự cải

thiện cho patch anten chữ E phân cực tròn thông thường, được thực hiện bằng cách
chèn thêm 2 khe song song, bằng nhau và 1 khe nằm ở chính giữa cạnh đối diện của
tấm patch chữ E. Mục tiêu của bài thiết kế này là cải thiện các thông số: suy hao
phản xạ, VSWR, băng thông hoạt động và băng thông phân cực tròn của anten. Các
thông số của anten đã được tối ưu để đạt được một patch anten phân cực tròn tại dải
tần của WLAN 2.4GHz, độ lợi cực đại anten đạt 9.7dB, băng thông hoạt động đạt
28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz), băng thông phân cực tròn đạt 4.1% (2.3885 ÷
2.4885 GHz).
Anten đươ ̣c thiế t kế và mô phỏng trên phầ n mề m Ansoft HFSS v 13. Sau đó
chế ta ̣o anten và đo thông số thực tế bằ ng máy Anritsu S 331D.
Kết quả mô phỏng và đo đạc là khá phù hợp nhau. Anten đề xuất có thể sử
dụng cho các APs băng tần WLAN 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g của IEEE và ứng
dụng cho WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz.
Để kiểm tra hiệu quả của anten trong ứng dụng thực tế, anten thiết kế đã
được kết nối với APs 2.4GHz. Việc đo kiểm được tiến hành trong điều kiện fading
yếu và fading mạnh. Kết quả đo kiểm cho thấy, tín hiệu thu được từ anten đề xuất
tốt hơn rất nhiều so với anten toàn hướng 2 dBi.

Trang v


ABSTRACT
This thesis presents the design of a circularly polarized probe-fed singlelayer wide-band microstrip-patch antenna used for 2.4 GHz WLAN applications.
The proposed antenna is a improved form of the conventional circularly polarized
E-shaped patch antenna. This model is modified with further improvements by
incorporating two more equal-parallel slots and a single slot in the center of the
opposite edges of the E-shaped patch. The main objective of the design are
considered to achieve improved return loss, VSWR characteristics, effective
impedance bandwidth and axial-ratio bandwidth. The antenna parameters are
optimized to have a circularly polarized antenna at WLAN 2.4GHz band, 9.7-dB

peak gain, and a 28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz) impedance bandwidth and a 4.1%
(2.3885 ÷ 2.4885 GHz) axial-ratio bandwidth.
The antenna was designed and simulated using the Ansoft HFSS V13
software. The measurement of return loss of the antenna were performed by using
the Anritsu SiteMaster S331D.
The simulation results show good agreement with the measurement. The
proposed antenna can be used for 2.4 GHz wireless access points (APs), following
the suggested procedure for the IEEE 802.11 b/g WLAN band, and 2.3-2.7 GHz
WiMAX applications.
In order to verify the antenna performance in practical applications, the
designed antenna was connected to the antenna connector of a 2.4-GHz WLAN
access point serving as a transmitter, and the measurements were carried out under
line-of-sight and non-line-of-sight condition. The measurement results show that the
proposed antenna greatly improves WLAN signal reception compared to that of the
2-dBi omnidirectional one.

Trang vi


MỤC LỤC
Trang
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................. i
Lời cam đoan ..............................................................................................................iii
Lời cảm ơn ................................................................................................................. iv
Tóm tắt ........................................................................................................................ v
Abstract ...................................................................................................................... vi
Mục lục ...................................................................................................................... vii
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................... x
Danh sách các ký hiê ̣u ................................................................................................ xi
Danh sách các hình .................................................................................................. xvii

Danh sách các bảng ................................................................................................... xx
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1 Tổ ng quan chung về liñ h vực nghiên cứu ........................................................ 1
1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố ................................................................ 5
1.3 Mục đích của đề tài .......................................................................................... 9
1.4 Nhiê ̣m vu ̣ và giới ha ̣n của đề tài ..................................................................... 10
1.4.1 Nhiê ̣m vu ̣ của đề tài ................................................................................. 10
1.4.2 Giới ha ̣n của đề tài ................................................................................... 10
1.5 Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 10
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 11
2.1 Các thông số cơ bản của anten ....................................................................... 11
2.1.1 Trở kháng vào .......................................................................................... 11
2.1.2 Băng thông ............................................................................................... 12
2.1.3 Độ rộng búp sóng..................................................................................... 14
2.1.4 Hệ số định hướng ..................................................................................... 14
2.1.5 Độ lơ ̣i ....................................................................................................... 15
2.1.6 Suy hao phản xa ̣, tỉ số điện thế sóng đứng .............................................. 16

Trang vii


2.1.7 Giản đồ bức xạ và góc bức xạ ................................................................. 18
2.1.8 Cường đô ̣ bức xa ......................................................................................
22
̣
2.1.9 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương............................................ 23
2.1.10 Mâ ̣t đô ̣ công suấ t bức xa ........................................................................
24
̣
2.1.11 Hiệu suất bức xạ .................................................................................... 25

2.1.12 Hiê ̣u suấ t búp sóng................................................................................. 26
2.1.13 Hiệu suất anten ...................................................................................... 27
2.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải ............................................................ 28
2.3 Tính phân cực của anten vi dải ...................................................................... 29
2.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải .............................................................. 33
2.4.1 Cấ p nguồ n bằ ng đường truyề n vi dải ...................................................... 34
2.4.2 Cấ p nguồ n bằ ng probe đồ ng tru ̣c ............................................................. 34
2.4.3 Cấ p nguồ n bằ ng phương pháp ghép khe ................................................. 35
2.4.4 Cấ p nguồ n bằ ng phương pháp ghép gầ n ................................................. 36
2.5 Phương pháp phân tić h anten vi dải ............................................................... 37
2.5.1 Mô hình đường truyền ............................................................................. 37
2.5.2 Mô hình hốc cộng hưởng ......................................................................... 40
2.5.3 Mô hình sóng đầy đủ ............................................................................... 42
2.5.4 Phương pháp sai phân hữu hạn ................................................................ 42
2.6 Tính khả thi của anten phân cực tròn ............................................................. 43
2.6.1 Những đặc tính của kênh truyền và các loại suy hao ............................. 43
2.6.2 Tác dụng của phân cực tròn đến chất lượng các hệ thống vô tuyến........ 47
Chƣơng 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN ............................................... 50
3.1 Mục tiêu thiết kế ............................................................................................ 50
3.2 Patch anten cơ sở hình chữ nhật..................................................................... 50
3.2.1 Thiết kế anten .......................................................................................... 50
3.2.2 Mô phỏng anten với phầ n mề m Ansoft HFSS ......................................... 55
3.3 Patch anten chữ E phân cực tròn .................................................................... 58
3.3.1 Thiết kế anten .......................................................................................... 58

Trang viii


3.3.2 Mô phỏng anten với phầ n mề m Ansoft HFSS ......................................... 64
3.4 Patch anten chữ E phân cực tròn cải tiến ....................................................... 69

3.4.1 Thiết kế anten .......................................................................................... 69
3.4.2 Mô phỏng anten với phầ n mề m Ansoft HFSS ......................................... 78
Chƣơng 4: THI CÔNG VÀ ĐO ĐẠC ANTEN .................................................... 86
4.1 Thi công và đo đạc anten thực tế ................................................................... 86
4.2 Đo cường đô ̣ sóng bằ ng phầ n mề m Netstumbler ........................................... 88
Chƣơng 5: KẾT LUẬN ........................................................................................... 90
5.1 Kế t luâ ̣n .......................................................................................................... 90
5.2 Kiế n nghi ........................................................................................................
90
̣
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 92
Phụ lục ...................................................................................................................... 94

Trang ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AP

Access Point

AR

Axial Ratio

BW

Bandwidth

CW

Clockwise

CCW

Counterclockwise

DCS

Digital Cellular System

FNBW

First Null Beamwidth.

F-PIFA

Fractal Planar Inverted-F Antenna.

GSM

Global System for Mobile Communications.

GPS

Global Positioning System.

HPBW

Half-Power Beamwidth.

MSA

Microstrip Antenna.

PCS

Personal Communications Service

PDA

Personal Digital Assistants

2G

Second Generation

3G

Third Generations

UMTS

Universal Mobile Telecommunication Systems

RF

Radio Frequency

RFID

Radio Frequency Identification

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

WLAN

Wireless Local Area Networks

Wi-Fi

Wireless Fidelity

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access.

Trang x


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU


Phi



Theta

E

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

H

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

ε

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

μ

Hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

ζ

Điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

Je

Biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (

e

Là mật độ khối của điện tích. (

λ

Bước sóng [m]

f

Tần số tín hiệu [Hz]

v

Vận tốc truyền sóng [m/s]

c= 3.108 m/s

Vận tốc ánh sáng

Z0

Trở kháng đặc tính

R0

Trở kháng đường dây truyền sóng

ZL

Trở kháng tải

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

Trang xi

C
)
m3

A
)
m2


Pt

Công suất đi đến tải

Pr

Công suất phản xạ

Vmax, Imax

Điê ̣n áp và dòng điê ̣n cực đa ̣i không đổ i trên đường dây

Vmin, Imin

Điê ̣n áp và dòng điê ̣n cực đa ̣i không đổ i trên đường

VSWR

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

UA, IA

Điện áp và dòng điện đặt vào anten

ZA

Trở kháng vào của anten

IAe

Dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten

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 [W/Sr]

U0

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

Prad

Công suất bức xạ [W]

G

Độ lơ ̣i

e

Hiê ̣u suấ t
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

Wrad

Là mật độ bức xạ (W/m2)

EIRP

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent
Isotropically Radiated Power)

Trang xii


PT

Công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten

GT

Hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

ep

Hiệu suất phân cực anten

e

Hiệu suất bức xạ của anten

er
và

Hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa anten
đường dây truyền sóng)

Zin

Trở kháng vào của anten

Z0

Trở kháng đặc tính của dây truyền sóng

Exo và Eyo

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

BW

Băng thông của anten (Bandwidth)

fmax, fmin, f0

Tần số cao nhất, tần số thấp nhất và tần số trung tâm.

Δf

Độ rộng băng

 eff

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

QT

Hệ số đặc tính tổng thể của anten

Qd

Hệ số đặc tính của chất điện môi

r

Tần số góc cộng hưởng

WT

Năng lượng tổng cộng khi anten cộng hưởng

Pd

Chất điện môi tổn hao

tan 

Loss tangent của chất điện môi

QC

Hệ số đặc tính của chất dẫn

PC

Công suất tổ n hao chất dẫn



Độ dày lớp da của dây dẫn

Qr

Mô tả đặc tính của sự bức xạ

S11

Hê ̣ số phản xa ̣.

Trang xiii


AR

Tỉ số trục.

fr

Tần số cộng hưởng.

h

Chiều cao của lớp nền.

εr

Hằng số điện môi.

εreff

Hằng số điện môi hiệu dụng của tấm patch.

λ

Bước sóng tại tần số cộng hưởng.

λ0

Bước sóng trong không gian tự do.

W

Chiều rộng của tấm patch.

Wg

Chiều rộng của mặt phản xạ.

L

Chiều dài của tấm patch.

Lg

Chiều dài của mặt phản xạ.

ΔL

Chiều dài mở rộng của tấm patch.

K0

Hằng số sóng trong không gian tự do

G1

Điện dẫn của 1 khe.

G12

Điện dẫn ghép tương hỗ giữa 2 khe.

J0

Hàm Bessel loại 1, bậc 0.

Rin

Trở kháng ngõ vào tại cạnh (y=0) của tấm patch.

D2

Độ định hướng của anten (mảng 2 khe).

D0

Độ định hướng của một khe đơn.

DAF

Độ định hướng của hệ số mảng AF.

D

Độ định hướng của anten tính theo dB.

P

Khoảng cách giữa 2 khe chữ E.

P1

Khoảng cách giữa 2 khe chữ E và 2 khe mở rộng cùng hướng.

WS

Chiều rộng 2 khe chữ E.

Trang xiv


F

Khoảng cách từ port cấp nguồn đến cạnh y=0 của tấm patch.

Ls1

Chiều dài khe chữ E thứ nhất.

Ls2

Chiều dài khe chữ E thứ hai.

d1

Chiều dài 2 khe mở rộng cùng hướng.

d2

Chiều rộng 2 khe mở rộng cùng hướng..

d3

Chiều dài khe mở rộng ngược hướng.

d4

Chiều rộng khe mở rộng ngược hướng.

Trang xv


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Cấu tạo của MSA cơ bản hình chữ nhật [6] ............................................... 2
Hình 1.2: Anten patch hình tròn phân cực tròn với một khe được khắc hình
chữ V, hai ngõ vào ứng dụng cho WLAN 2.4GHz. [2] ............................. 5
Hình 1.3: Anten patch hình tròn phân cực tròn cấp nguồn bằng đường truyền
vi dải ứng dụng cho WLAN 2.4GHz. [3]................................................... 6
Hình 1.4: Hình dạng và kích thước anten vi dải ứng dụng cho GNSS [4]................. 7
Hình 1.5: Patch anten chữ E thiết kế trên: (a) tấm patch hình chữ nhật, (a) tấm
patch hình tròn, (a) tấm patch hình tam giác [8] ........................................ 7
Hình 1.6: Anten vi dải hình vuông chèn bố n khe để ta ̣o phân cực tròn [8] ............... 8
Hình 1.7: Patch anten chữ E phân cực tròn ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [9] ......... 9
Hình 2.1: Mạch tương đương cho hệ thống anten [5] .............................................. 11
Hình 2.2: Mô hình công suấ t 3 chiề u và 2 chiề u (trong quy mô tuyế n tính) của
U(θ)= cos2(θ)cos2(3θ) [5]........................................................................ 14
Hình 2.3: Các vùng trường của một anten [5] .......................................................... 18
Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tính đặc tính bức xạ của anten [5] .................... 19
Hình 2.5: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [5] .............................................. 20
Hình 2.6: Đồ thị phương hướng trong không gian 3 chiều [5] ................................ 21
Hình 2.7: Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [5] .............................................. 21
Hình 2.8: Các đầu cuối và các tổn hao tham chiếu của một anten [5] ..................... 28
Hình 2.9: Trường bức xạ E và H của anten vi dải [6] .............................................. 28
Hình 2.10: Dạng sóng quay [6] ................................................................................ 30
Hình 2.11: Phân cực da ̣ng elip [6] ............................................................................ 30
Hình 2.12: Các loại phân cực [6].............................................................................. 31
Hình 2.13: Cấ p nguồ n bằ ng đường truyề n vi dả i [6] ............................................... 34
Hình 2.14: Cấ p nguồ n bằ ng probe đồ ng tru ̣c [6] ...................................................... 35

Trang xvi

Hình 2.15: Cấ p nguồ n bằ ng phương pháp ghép khe [6] .......................................... 35
Hình 2.16: Cấ p nguồ n bằ ng phương pháp ghép gầ n [6] .......................................... 36
Hình 2.17: Đường vi dải, trường điện và hằng số điện môi hiệu dụng [6] .............. 38
Hình 2.18: Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng của tấm patch [6] .................... 39
Hình 2.19: Phân bố điện tích và dòng điện [6] ......................................................... 40
Hình 2.20: Kênh đa đường ....................................................................................... 44
Hình 2.21: Ảnh hưởng Doppler ................................................................................ 45
Hình 2.22: Sự phân cực của tín hiệu điện từ [17]..................................................... 48
Hình 3.1: Cấu trúc mă ̣t bên của anten hình chữ nhật ............................................... 51
Hình 3.2: Cấu trúc mă ̣t trên của anten hình chữ nhật ............................................... 52
Hình 3.3: Anten hình chữ nhật được thiết kế trong Ansoft HFSS ........................... 55
Hình 3.4: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten hình chữ nhật .................... 55
Hình 3.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten hình chữ nhật................................... 56
Hình 3.6: Đồ thị bức xạ của anten hình chữ nhật ..................................................... 56
Hình 3.7: Hê ̣ số phản xa ̣ S11 của anten hình chữ nhật .............................................. 57
Hình 3.8: Tỷ số sóng đứng ở ngõ vào của anten hình chữ nhật ............................... 57
Hình 3.9: Phân bố dòng điện của anten hình chữ nhật ............................................ 58
Hình 3.10: Cấu trúc mă ̣t bên của anten chữ E phân cực tròn ................................... 59
Hình 3.11: Cấu trúc mă ̣t trên của anten chữ E phân cực tròn .................................. 59
Hình 3.12: (a) mạch điện tương đương của patch anten hình chữ nhật,
(b) mạch điện tương của anten chữ E [14] ............................................. 60
Hình 3.13: Phân bố dòng điện trên patch anten chữ E phân cực tròn [9] ................ 61
Hình 3.14: Lưu đồ các bước thiết kế và điều chỉnh anten chữ E phân cực tròn ...... 62
Hình 3.15: Anten chữ E phân cực tròn được thiết kế trong Ansoft HFSS ............... 64
Hình 3.16: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten chữ E phân cực tròn ........ 64
Hình 3.17: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten chữ E phân cực tròn ...................... 65
Hình 3.18: Đồ thị bức xạ của anten chữ E phân cực tròn ........................................ 65
Hình 3.19: Hê ̣ số phản xa ̣ S 11 của anten chữ E phân cực tròn .................................. 66

Hình 3.20: Tỷ số sóng đứng của anten chữ E phân cực tròn ở ngõ vào ................... 66

Trang xvii


Hình 3.21: Tỷ số phân cực của anten chữ E phân cực tròn ta ̣i   00 ,   900 ......... 67
Hình 3.22: Phân cực tròn bên trái/phân cực tròn bên phải (LHCP/RHCP)
của anten chữ E phân cực tròn................................................................ 67
Hình 3.23: Phân bố dòng điện của anten chữ E phân cực tròn ................................ 68
Hình 3.24: Cấu trúc mă ̣t bên của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ...................... 69
Hình 3.25: Cấu trúc mă ̣t trên của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ...................... 69
Hình 3.26: Mạch điện tương của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ...................... 70
Hình 3.27: Phân bố dòng điện trên patch anten chữ E phân cực tròn cải tiến ......... 71
Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn S11 khi d1 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 72
Hình 3.29: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d1 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4. .............................................................................. 73
Hình 3.30: Đồ thị biểu diễn AR khi d1 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 73
Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn S11 khi d2 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 74
Hình 3.32: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d2 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 74
Hình 3.33: Đồ thị biểu diễn AR khi d2 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 75
Hình 3.34: Đồ thị biểu diễn S11 khi d3 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 75
Hình 3.35: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d3 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 76
Hình 3.36: Đồ thị biểu diễn AR khi d3 thay đổi và giữ nguyên các thông số

còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 76
Hình 3.37: Đồ thị biểu diễn S11 khi d4 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 77
Hình 3.38: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d4 thay đổi và giữ nguyên các thông số

Trang xviii


còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 77
Hình 3.39: Đồ thị biểu diễn AR khi d4 thay đổi và giữ nguyên các thông số
còn lại trên bảng 3.4 ............................................................................... 78
Hình 3.40: Anten chữ E phân cực tròn cải tiến được thiết kế trong Ansoft HFSS .. 78
Hình 3.41: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten chữ E phân cực tròn
cải tiến..................................................................................................... 79
Hình 3.42: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ......... 79
Hình 3.43: Đồ thị bức xạ của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ............................ 80
Hình 3.44: Hê ̣ số phản xa ̣ S 11 của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ..................... 80
Hình 3.45: Tỷ số sóng đứng của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ở ngõ vào ...... 81
Hình 3.46: Tỷ số phân cực của anten chữ E phân cực tròn ta ̣i   00 ,   900 ......... 81
Hình 3.47: Phân cực tròn bên trái/phân cực tròn bên phải (LHCP/RHCP)
của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ................................................... 82
Hình 3.48: Phân bố dòng điện của anten chữ E phân cực tròn cải tiến .................... 82
Hình 3.49: So sánh S11 giữa anten chữ E phân cực tròn truyền thống
và anten chữ E phân cực tròn cải tiến..................................................... 83
Hình 3.50: So sánh VSWR giữa anten chữ E phân cực tròn truyền thống
và anten chữ E phân cực tròn cải tiến..................................................... 83
Hình 3.51: So sánh tỷ số AR giữa anten chữ E phân cực tròn truyền thống
và anten chữ E phân cực tròn cải tiến..................................................... 84
Hình 4.1: Máy đo Anritsu SiteMaster S331D .......................................................... 86
Hình 4.2: Mặt trên của anten thực tế ........................................................................ 86

Hình 4.3: Mặt sau của anten thực tế ......................................................................... 87
Hình 4.4: Hê ̣ số phản xa ̣ S11 của anten ..................................................................... 87
Hình 4.5: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường fading yếu........ 88
Hình 4.6: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường fading mạnh .... 88

Trang xix


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Các thông số của anten hình chữ nhật (mm) ............................................ 54
Bảng 3.2: Các thông số của anten chữ E phân cực tròn (mm) ................................. 63
Bảng 3.3: So sánh kết quả mô phỏng anten hình chữ nhật
và anten chữ E phân cực tròn ................................................................... 68
Bảng 3.4: Các thông số của anten chữ E phân cực tròn đề xuất (mm)..................... 72
Bảng 3.5: So sánh kết quả mô phỏng anten chữ E phân cực tròn truyền thống
và anten chữ E phân cực tròn cải tiến ...................................................... 85

Trang xx


Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz

Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổ ng quan chung về linh
̃ vƣc̣ nghiên cƣ́u
Anten là các hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ, là một bộ
chuyể n đổ i dòng điê ̣n di chuyể n ở tầ

n số cao thành sóng điê ̣n từ và ngươ ̣c la ̣i

chuyể n sóng điê ̣n từ thành dòng điê ̣n xoay chiề u

. Hay nói cách khác , anten đươ ̣c

dùng để bức xạ năng lượng ra không gian, hoă ̣c nhâ ̣n năng lươ ̣ng từ không gian.
Năm 1886, Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực nghiệm đã chứng tỏ
rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực
sẽ hình thành trường phát xạ. Năm 1897 Popob đã phát triển thành công việc truyền
tín hiệu điện báo không dây ở khoảng cách 3 dặm. Năm 1901, Guglielmo Marconi
đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn hơn, hoạt động ở tần số khoảng 60
Khz. Năm 1930, người ta đã tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả
năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz…Tiếp theo đó, nhiề u tiế n bô ̣ vươ ̣t bâ ̣c
trong kỹ thuâ ̣t anten đã đươ ̣c hin
̀ h thành trong khoảng thâ ̣p niên

1970 cho đế n đầ u

thâ ̣p niên 1990.
Sự phát triể n rấ t nhanh của hê ̣ thố ng truyề n thông di đô ̣ng đã thúc đẩ y viê ̣c
nghiên cứu các anten mới cho các ứng du ̣ng di đô ̣ng cơ bản như: điê ̣n thoa ̣i di đô ̣ng,
máy tính notebook , các thiết bị hộ trợ cá nhân kỹ thuật số

, ... Hiê ̣n nay nhiề u hê ̣

thố ng truyề n thông di đô ̣ng sử du ̣ng nhiề u băng tầ n như băng tầ n GSM
900/1800/1900, UMTS 3G có băng thông mở rô ̣n
2700MHz, mạng WLAN có băng thông

g (1900-2200MHz và 2500-

(2400-2500MHz và 5100-5800MHz).

Anten đơn năng chỉ có thể hoa ̣t đô ̣ng ở mô ̣t tầ n số nào đó theo nhu cầ u sử du ̣ng

,

nhưng mô ̣t anten đa năng thì có thể hoa ̣t đô ̣ng ở nhiề u băng tầ n khác nhau.
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết
hợp với các phương pháp xử lý số tín hiệu đã cho phép truyền thông tin đi xa hơn,
trên nền nhiễu mạnh hơn, công suất phát thấp hơn và băng tần rộng hơn. Một trong
các yếu tố góp phần cải thiện chất lượng thông tin này là các hệ thống các anten

Trang 1

HVTH: Hồng Văn Tâm

GVHD: Ts. Lương Vinh Quốc Danh


Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz

thu/phát có kích thước nhỏ và dải tần rộng, trong đó phần tử được triển khai và
nghiên cứu nhiều là anten vi dải (microstrip antenna - MSA). Điểm mạnh của MSA

so với các loại anten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số
cộng hưởng, cấu trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải mà hiện
nay đang được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng.
Mặt khác, MSA còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (array antenna) cho phép
tăng độ lợi, độ định hướng và có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để
tạo thành các anten thông minh cho các ứng dụng kỹ thuật cao.
Một MSA đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại rất mỏng (bề dày t), đặt
cách mặt phẳng đất một khoảng (h) rất nhỏ, patch của MSA được thiết kế sao cho
có đồ thị bức xạ cực đại. Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode
của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch. Giữa patch và mặt phẳng đất
được tách biệt bởi một lớp điện môi nền (có hằng số điện môi εr , thường thì 2.2< εr
< 12). Đối với một patch hình chữ nhật có chiều dài l, chiều rộng w có thể được mô
tả như hình sau:

Hình 1.1 Cấu tạo của MSA cơ bản hình chữ nhật. [6]
Sự bức xạ từ MSA có thể phát ra từ vùng giới hạn giữa chu vi phần patch và
mă ̣t phẳ ng nề n . Đối với anten có hiệu suất tốt , đô ̣ dày của lớp điê ̣n môi có hằ ng số
điê ̣n môi thấ p là tố i ưu vì như vâ ̣y anten sẽ có hiê ̣u suấ t cao , băng tầ n rô ̣ng và bức

Trang 2

HVTH: Hồng Văn Tâm

GVHD: Ts. Lương Vinh Quốc Danh