Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng wlan 2 4ghz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM


VÕ HỒNG NGÂN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CHO ỨNG DỤNG
WLAN 2.4GHz
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, Tháng 01/2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM

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

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. PHẠM HỒNG LIÊN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 07 tháng 01 năm 2015.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: TS. Đỗ Hồng Tuấn

2. Thư ký: TS. Hà Hoàng Kha
3. Ủy viên PB1: TS. Huỳnh Phú Minh Cường
4. Ủy viên PB2: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
5. Ủy viên: TS. Lưu Thanh Trà

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-------------------

--------o0o------Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VÕ HỒNG NGÂN

MSHV: 11810080

Ngày, tháng, năm sinh: 13/ 10/ 1987

Nơi sinh: Tiền Giang

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã Số: 605270

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

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

2.4 GHz.
-

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

-

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

so sánh với kết quả mơ phỏng. Đo cường độ sóng của anten lưỡng cực nửa sóng
thơng thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và
phần mềm Netstumbler, so sánh và đánh giá kết quả.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Ngày 10 Tháng 02 Năm 2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 14 Tháng 11 Năm 2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LƯƠNG VINH QUỐC DANH
Tp. HCM, ngày tháng năm
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lương Vinh Quốc Danh,
đã tận tình chỉ bảo cùng những tài liệu quý báu của thầy đã giúp em hoàn thành
luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trường Đại học
Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và
nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa qua. Xin cảm ơn các bạn học viên và
những người thân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc khó khăn
trong thời gian thực hiện.
Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên đề tài sẽ
khơng tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
xây dựng của quý Thầy, Cô và các bạn học viên để có thể tiếp tục phát triển
và hồn thiện hướng nghiên cứu của mình.
TP Hồ Chí Minh, Tháng 12/2014
Võ Hồng Ngân

HVTH: Võ Hồng Ngân

i

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Để giảm suy hao trong q trình truyền, nhận tín hiệu thì việc phù hợp phân
cực ở cả hai anten phát và thu là một vấn đề quan trọng. Bên cạnh đó để tiết kiệm
các trạm gốc khi khơng gian có hạn cũng là vấn đề đáng quan tâm. Sử dụng anten
phân cực kép được trình bày ở đây là một giải pháp tốt hơn giữa truyền và nhận của
hai anten, tiết kiệm không gian, làm giảm tác dụng của phản xạ đa đường (multipath
fading), …
Ở đây luận văn tập trung giới thiệu một anten phân cực kép có khả năng hoạt
động ở dải tần WLAN (Wireless Local Area Network) 2.4 GHz. Anten được thiết
kế bao gồm một tấm mạch in FR-4 tròn với ba anten vòng được sắp xếp xoay vòng
120o theo cấu trúc đối xứng. Bản mạch in FR-4 được đặt cách tấm phản xạ một
khoảng cách nhỏ. Kích thước của anten và vị trí đặt ngõ vào (port) tiếp tín hiệu sử
dụng cáp đồng trục được tối ưu để có được sóng phân cực kép, tần số cộng hưởng
2.44 GHz, độ lợi đỉnh lớn hơn 8-dBi, và độ cách ly giữa hai ngõ vào dưới – 20 dB.
Bên cạnh đó băng thơng được cải thiện để sử dụng được nhiều dịch vụ mạng hơn.
Các kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả đo đạc thực tế. Anten có thể được sử
dụng cho các access point (AP) dải tần 2.4 GHz có hệ thống anten MIMO
(Multiple-Input Multiple-Output) 3x3.
Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Ansoft HFSS và được thi
công trên PCB FR-4 có hằng số điện mơi εr = 4.6, độ dày là 1.6 mm. Đo cơng suất
tín hiệu của anten lưỡng cực nửa sóng thơng thường so với anten được thiết kế bằng
máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, đo các thông số tán xạ S
bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8.

HVTH: Võ Hồng Ngân

ii


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Abstract
To reduce loss during signal transmitting and receiving, the appropriate
polarization at both transmitter and receiver antennas is an important issue. In
addition, saving the base station in condition of narrow space is also concerned.
Using dual-polarized antenna, which is presented in this thesis, is a better solution
between transmitted and received signals of the two antennas, help to save space
and reduce effects of multipath fading as well.
This thesis will focus on introducing a dual-polarized antenna capable of
operating in the frequency range of the WLAN (Wireless Local Area Network)
2.4GHz. A designed antenna includes an FR-4 printed circuit boards with three
circular loop antennas are arranged 120° rotation with symmetry structure. FR-4
PCB is placed far away the reflector with a small distance. The size of the antenna
and the placement of input (port) to the signal using a coaxial cable, which is
optimized for dual-polarized waves, the resonant frequency of 2.44 GHz, the peak
gain is greater than 8-dBi, and the isolation between the inputs below - 20 dB. In
addition, the bandwidth can be improved to use for multi-network services. The
simulation results match the actual measurement results. Antenna can be used for
the access points (APs) with 2.4 GHz frequency range, which has MIMO antenna
systems (Multiple-Input Multiple-Output) 3x3.
The simulation is performed on Ansoft HFSS and be constructed on FR-4
PCB with dielectric constant εr = 4.6, thickness of 1.6 mm. Measuring the signal
power by half-wavelength dipole antenna usually marketed compared with the

antenna design by EMC Analyzer E7405 machine and Netstumbler software,
measuring the scattering parameters S by Vector Network Analyzer - R & S ZBV8
machine.

HVTH: Võ Hồng Ngân

iii


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài “Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz” dưới sự
hướng dẫn của TS. Lương Vinh Quốc Danh. Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là
do chính tơi thực hiện và chưa có phần nội dung hay kết quả nào của luận văn này
được cơng bố trên tập chí hay nộp để lấy bằng trên các trường đại học nào đó, ngoại
trừ các kết quả tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014
Học viên
Võ Hồng Ngân

HVTH: Võ Hồng Ngân

iv

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU...................................................................................1
1. 1 Đặt vấn đề ..................................................................................................1
1.2

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

1.3

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

1.3.1

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

1.3.2

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

1.3.3

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

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN.............................................4
2.1

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

2.2

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

2.3

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

2.4

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

2.4.1

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

2.4.2

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

2.4.3

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

2.4.4

Hệ số phản xạ (Γ) ...............................................................................9

2.4.5

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

2.4.6

Tổn hao phản xạ (Return loss) ..........................................................10

2.5 Các thông số đặc trưng của anten .............................................................. 11
2.5.1

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

2.5.2

Hệ số định hướng và độ tăng ích.......................................................11

2.5.3

Giản đồ bức xạ (Radiation pattern) ...................................................12

2.5.4

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

2.5.5

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

2.5.6

Hiệu suất của anten (et).....................................................................18

2.5.7

Tính phân cực của anten ...................................................................19

2.5.8

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

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

HVTH: Võ Hồng Ngân

v


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................24
3.1 Giới thiệu..................................................................................................24
3.2 Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển...........................25
3.3 Cấu tạo......................................................................................................25
3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu .............................................................. 26
3.4.1

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

3.4.2

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

3.4.3

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

3.4.4

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

3.5

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

3.6

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

3.7

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

3.8

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

3.8.1

Mơ hình đường truyền ......................................................................37

3.8.2

Mơ hình hốc cộng hưởng..................................................................39

3.8.3

Mơ hình sóng đầy đủ .......................................................................41

3.8.4

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

3.9

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

3.10 Anten vòng .............................................................................................. 44
3.11 Tóm tắt ....................................................................................................48
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC............................................................. 49
4.1 Phương pháp thiết kế anten .......................................................................49
4.1.1

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

4.1.2

Tính tốn các thơng số kỹ thuật cho anten ........................................50

4.1.3

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

4.1.4

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

4.1.5

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

4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS............................... 53
4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế .........................................................72
4.4.1

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

HVTH: Võ Hồng Ngân

vi


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

4.4.2

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

4.4.3

Kết quả đo đạc độ lợi trên anten thực tế .............................................. 75

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...........................................................80
5.1 Kết luận ....................................................................................................80
5.2 Đề nghị .....................................................................................................80

HVTH: Võ Hồng Ngân

vii


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

DANH SÁCH HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU...................................................................................1
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN.............................................4
Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1].....................................................6
Hình 2.2: Mơ hình đường truyền sóng .....................................................................9
Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1]..................11
Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]...................................................13
Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vơ hướng của một anten [1]...........................................14
Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1] ....14
Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính ............................................15
Hình 2.8: Sự quay của vector điện trường.............................................................. 20

Hình 2.9: Các loại phân cực [2] .............................................................................21
Hình 2.10: Độ rộng băng thơng .............................................................................22
CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................24
Hình 3.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn [1] ......................26
Hình 3.2: a. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải, b. Mạch điện tương đương.........27
Hình 3.3: a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục, b. Mạch điện tương đương ..................28
Hình 3.4: Hình dạng của Mini - coaxial.................................................................29
Hình 3.5: a. Tiếp điện bằng cách ghép khe, b. Mạch điện tương đương .................30
Hình 3.6: a. Tiếp điện bằng ghép đơi lân cận, b. Mạch điện tương đương..............30
Hình 3.7: Tường bức xạ E và H của antenna vi dải [1]...........................................31
Hình 3.8: Anten vịng xoay dẫn nạp một góc 45o ...................................................32
Hình 3.9 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [8].................................................34
Hình 3.10: Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [8]..............34
Hình 3.11: Các dạng ghép kí sinh [8].....................................................................35
Hình 3.12: Tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U [8] .................................36
Hình 3.13. Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L [8] .........36
Hình 3.14: (a) Đường vi dải [1], (b) Các đường điện trường [1] ............................ 37
Hình 3.15: Trường phân bố [1] ..............................................................................38

HVTH: Võ Hồng Ngân

viii


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.16: Mật độ điện tích và dịng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [1] ..............39
Hình 3.17: Các dạng tấm bức xạ anten vi dải.........................................................42

Hình 3.18: Một vài dipole mạch in và vi dải [8].....................................................43
Hình 3.19: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện [8]..................................43
Hình 3.20: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [8] ..................................44
Hình 3.21 : Biên độ và pha của anten vịng trịn nhỏ [1] ........................................46
Hình 3.22: Độ định hướng của anten vịng khi θ = 0, π [1] ....................................46
Hình 3.23: Trở kháng ngõ vào của anten vòng tròn [1] .........................................47
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC............................................................. 49
Hình 4.1: Anten vịng tham khảo [3]......................................................................49
Hình 4.2: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu .......................................................50
Hình 4.3: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu.......................................................50
Hình 4.4: Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS.................................................53
Hình 4.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten........................................................53
Hình 4.6: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten ..........................................54
Hình 4.7: Đồ thị bức xạ của anten..........................................................................54
Hình 4.8: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 .....................................................................55
Hình 4.9: Tỷ số sóng đứng (VSWR)......................................................................55
Hình 4.10: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) ..................................................................56
Hình 4.11: Phân bố dịng điện của anten 1 ............................................................. 56
Hình 4.12: Đồ thị trường Eθ, Eø khi xoay dẫn nạp 45o ...........................................57
Hình 4.13: Đồ thị trường Eθ, khi khơng xoay dẫn nạp .......................................57
Hình 4.14: Đồ thị trường Eθ, Eø khi xoay dẫn nạp 90o ...........................................58
Hình 4.15: Anten cắt khe cải thiện băng thơng.......................................................59
Hình 4.16: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten khi cắt khe ....................................59
Hình 4.17: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten khi cắt khe ......................60
Hình 4.18: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi cắt khe ................................................60
Hình 4.19: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten khi cắt khe ..................................61
Hình 4.20: Tỷ số sóng đứng (VSWR) của anten khi cắt khe ..................................61
Hình 4.21: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten khi cắt khe ................................ 62

HVTH: Võ Hồng Ngân

ix


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 4.22: Phân bố dịng điện của anten khi cắt khe..............................................62
Hình 4.23: Đồ thị trường Eθ, Eø khi anten cắt khe .................................................63
Hình 4.24: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ø = 135 o ...................................................63
Hình 4.25: Độ lợi của anten cắt khe nhỏ ................................................................ 64
Hình 4.26: Độ định hướng của anten cắt khe nhỏ ..................................................64
Hình 4.27: Đồ thị bức xạ của anten cắt khe nhỏ .....................................................65
Hình 4.28: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten cắt khe nhỏ .................................65
Hình 4.29: Tỷ số sóng đứng của anten cắt khe nhỏ ................................................66
Hình 4.30: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten cắt khe nhỏ................................ 66
Hình 4.31: Phân bố dịng điện của anten cắt khe nhỏ .............................................67
Hình 4.32: Đồ thị trường Eθ, Eø của anten khi cắt khe nhỏ ....................................67
Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế .........................................................................72
Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11......................................................................72
Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22......................................................................73
Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33......................................................................73
Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21 .......................................................................74
Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31 .......................................................................75
Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32 .......................................................................75
Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thơng dải
tần 100 MHz – 8 GHz ...........................................................................................75
Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thơng dải
tần 2-3GHz............................................................................................................76

Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tại tần số 2.44 GHz................................ 77
Hình 4.43: Đo anten vịng tại tần số 2.44 GHz.......................................................77
Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng..............78
Hình 4.45: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong mơi trường truyền thẳng
LOS (Line-Of-Sight) ............................................................................................. 79
Hình 4.46: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong mơi trường truyền có che
chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight) ..........................................................................79

HVTH: Võ Hồng Ngân

x


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

DANH SÁCH BẢNG
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU...................................................................................1
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN.............................................4
Bảng 2.1: Quy ước về các dải tần số ......................................................................23
CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................24
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC............................................................. 49
Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi bán kính vịng...............68
Bảng 4.2: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi độ dày của vịng anten..69
Bảng 4.3: Thống kê kết quả mơ phỏng anten vịng khi thay đổi đường kính mặt
phản xạ..................................................................................................................70
Bảng 4.4: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách giữa tấm tấm
bức xạ và mặt phản xạ. ..........................................................................................70
Bảng 4.5: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách từ tâm đến

từng anten vòng.....................................................................................................71
Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ của anten lưỡng cực nửa sóng và anten vịng....78
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...........................................................80

HVTH: Võ Hồng Ngân

xi


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AP

Access Point

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

GSM

Global System for Mobile communication

DCS

Digital Communication System

PCS

Personal Communication System

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

CMPA

Circular Microtrip Patch Antenna

CMP

Circular Microstrip Patch

RF

Radio Frequency

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

SWR

Standing Wave Ratio

EIRP

Equivalent Isotropically Radiated Power

CW

Clockwise

CCW

Counterclockwise,

HPBW

Half-Power BeamWidth

FNBW

First Null BeamWidth

BW

Bandwidth

FDTD

Finite Diference Time Domain

TEM

Transverse Electric Magnetic

MPA

Microstrip Patch Antenna

HVTH: Võ Hồng Ngân

xii


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

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)

E

Điện trường theo phi

E

Điện trường theo theta

ε

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

μ

Hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

σ

Điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

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]

εeff

Hằng số điện mơi hiệu dụng

v

Vận tốc truyền sóng [m/s]

A
)
m2

C
)
m3

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 dịng điện sóng phản xạ

Vi và Ii

Điện thế và dịng điện sóng tới

Pt

Cơng suất đi đến tải

Pr

Cơng suất phản xạ

Vmax, Imax

Điện áp và dịng điện cực đại không đổi trên đường dây

Vmin, Imin

Điện áp và dịng điện cực đại khơng đổi trên đường

VSWR

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

HVTH: Võ Hồng Ngân

xiii


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

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 (maximum radiation intensity) [W/Sr]

U0

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

Prad

Cơng suất bức xạ [W]

G

Độ lợi

e

Hiệu suất

D

Kích thước lớn nhất của anten
Vector Poynting tức thời (W/m2)
Cường độ điện trường tức thời (V/m)
Cường độ từ trường tức thời (A/m)
Tổng công suất tức thời (W)
Vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

da

Vi phân diện tích của bề mặt (m2)

Wrad

Là mật độ bức xạ (W/m2)

EIRP

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

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

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

HVTH: Võ Hồng Ngân

xiv

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

BW

Băng thông của anten (Bandwidth)

fmax, fmin, f0

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

Δf

Độ rộng băng

f

Tần số hoạt động

h

Độ dày điện môi

r

Hằng số điện môi của chất nền

W

Độ rộng của tấm tấm bức xạ

eff

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

QT

Hệ số đặc tính tổng thể của anten

Qd

Hệ số đặc tính của chất điện mơi

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

Cơng suất tổn hao chất dẫn



Độ dày lớp da của dây dẫn

Qr

Mơ tả đặc tính của sự bức xạ

ae

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

a

Là bán kính của tấm tấm bức xạ [m]

h

Là độ dày của lớp điện môi [m]

S11, S22, S33 Tổn hao phản xạ (Return Loss)
S21, S31, S32 Cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports)

h1

Khoảng cách giữa tấm bức xạ và tấm phản xạ

h2

Độ dày lớp điện môi

HVTH: Võ Hồng Ngân

xv


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây,
bên cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan
tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten như độ bền, trọng lượng anten
phải nhẹ, kích thước anten phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu. Các
anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) có các ưu điểm hấp
dẫn như kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point
(AP) hay các thiết bị di động. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng đã
thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten.
Và thực tế cho thấy trong truyền thơng khơng dây thì sóng vơ tuyến lan
truyền khơng chỉ theo hướng trực tiếp mà cịn theo nhiều hướng khác nhau qua quá
trình phản xạ, tán xạ… rất phức tạp, nên đường truyền của sóng vơ tuyến có thể bị

thay đổi đáng kể. Bên cạnh đó, các hệ thống truyền thông không dây hiện đại với
tốc độ truyền dữ liệu cao hơn giới hạn băng tần các kênh. Chi phí phải trả để tăng
tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không
gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý tín hiệu
nhiều chiều cũng tăng lên. Từ đó để tăng hiệu quả truyền nhận cũng như dung
lượng kênh truyền của hệ thống thì việc sử dụng loại anten phân cực kép (dual
polarization), có nhiều port vào ra cho hệ thống MIMO (multiple-input-multipleoutput) thật sự là vấn đề bức thiết nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên
cứu.
Xuất phát từ vấn đề thực tế trên đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế một
anten phân cực kép (tốt ở phân cực dọc và ngang) cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4
GHz, cụ thể là anten vi dải dạng vòng có đặc tính phân cực kép (bằng cách xoay
điểm dẫn nạp) với tấm tấm bức xạ hình trịn đã được cải tiến trên nền mạch in FR-4,
cùng với mặt phản xạ bằng nhơm với kích thước thích hợp cộng hưởng tại tần số
2.44 GHz. Bên cạnh đó, do hạn chế của anten vi dải là băng thông hẹp nên đề tài sẽ
cải thiện băng thơng để anten có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng hơn. Kết quả
mô phỏng trên máy tính (các thơng số tán xạ S11, S22, S33, S21, S31, S32) được so sánh
với kết quả đo đạc thực tế. Độ lợi của anten cũng được kiểm chứng thực tế thông
HVTH: Võ Hồng Ngân

1


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

qua việc đo đạc và so sánh sử dụng anten có độ lợi 2 dBi và một Access point
WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng.
1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề
Anten vi dải là loại anten được đề xuất đầu tiên bởi G. A. Deschamps vào

năm 1953, sau đó nhanh chóng được phát triển điển hình như: Saou-Wen Su,
Cheng-Tse Lee thiết kế anten phân cực kép ở tần số 2,4 GHz và 5 GHz, Dau-Chyrh
Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hiệu suất cao…
Cùng với các loại anten khác thì anten vi dải phân cực kép được xem là một
trong các giải pháp để làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath
fading) và đặc biệt phù hợp khi khơng gian có hạn vì có thể phát dữ liệu trên một
phân cực và thu anten trên một phân cực khác một cách đồng thời. Do đó có nhiều
bài báo giới thiệu về các loại anten phân cực kép đã được công bố trong thời gian
qua điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten vòng phân cực kép
với hai vòng cộng hưởng ở hai tần số khác nhau, Saou-Wen Su với anten phân cực
kép sử dụng vịng vng có phần điều chỉnh phân cực. Từ lịch sử phát triển nên tác
giả chọn đề tài thiết kế một anten phân cực kép, có độ lợi cao, băng thơng tương đối
rộng, tiếp điện bằng cáp đồng trục với ba ngõ vào ứng dụng cho hệ thống WLAN
dải tần 2.4 GHz làm mục tiêu nghiên cứu.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng của đề tài là thiết kế, mơ phỏng ba anten vi dải dạng vịng lưỡng
cực có ba port in trên chất nền FR4 tròn hoạt động ở dải tần 2.4 GHz. Ba anten vi
dải này sắp xếp xoay vịng trên bề mặt với một góc nghiêng bằng 120o để tạo thành
một cấu trúc đối xứng sử dụng trong hệ thống MIMO WLAN. Các anten này cùng
chia sẻ dẫn nạp và nối đất chung thông qua một đoạn cáp đồng trục nhỏ (Minicoaxial). Sau q trình mơ phỏng là q trình thi cơng, đo đạc và đánh giá kết quả.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, đặc tính phân cực kép của các
anten vi dải. Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, tiến hành thiết kế cấu trúc, sau đó

HVTH: Võ Hồng Ngân

2

Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

mơ phỏng để tối ưu các kích thước. Cuối cùng tiến hành thiết kế một anten thực tế
có ba port với mặt phản xạ bằng nhôm và hoạt động ở dải tần 2.4 GHz.
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết
Đề tài tập trung vào lĩnh vực thiết kế anten nên điều quan trọng trước hết là
cần nắm rõ các kiến thức về trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật anten
truyền sóng… nghiên cứu về các thơng số cơ bản của anten, tìm hiểu anten vi dải,
các đặc tính của anten vi dải, cũng như cách tính tốn các thơng số cho anten. Xác
định rõ các thông số kỹ thuật của tấm mạch in chế tạo anten cũng là điều rất quan
trọng.
Tìm hiểu chương trình mơ phỏng Ansoft HFSS 13.0.2, cách khởi tạo các vật
thể trong HFSS, cách đặt các thông số để mô phỏng và xem kết quả. Sau đó tiến
hành thiết kế cấu trúc anten 3D và mô phỏng trên phần mềm, trong quá trình mơ
phỏng cần thống kê các kết quả mơ phỏng, xem xét sự thay đổi các thông số của
anten, ảnh hưởng qua lại của việc điều chỉnh kích thước anten với kết quả mô
phỏng để tiện cho việc điều chỉnh sau này.
Tiến hành thiết kế anten thực tế khi thấy các kết quả mô phỏng đạt yêu cầu.
Dùng máy đo chuyên dụng để đo đạc anten thực tế từ đó so sánh với kết quả mô
phỏng. Xem xét và điều chỉnh anten sao cho thỏa mãn và phù hợp các yêu cầu trong
thực tế. Bước cuối cùng là hoàn chỉnh anten và đem ứng dụng vào thực tế.

HVTH: Võ Hồng Ngân

3


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN
2.1 Giới thiệu chung về anten
Thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi
được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa khơng gian tự
do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong Hình 2.1. Thơng thường
giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực
tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là
feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần.
Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder tới anten phát dưới dạng sóng điện từ
ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ khơng gian bên
ngồi và biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này được truyền theo feeder
tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và
biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và khơng gây ra méo dạng tín hiệu. Vì
vậy, anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến
điện, đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thơng tin
liên lạc.
Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng
có loại rất phức tạp [1]. Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:
 Anten đường (Wire Antennas): là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi
nơi như ô tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, ...Nó gồm anten đường thẳng (anten
lưỡng cực), anten vịng (Loop), anten xoắn (Helix). Trong đó anten vịng khơng
những có dạng trịn mà cịn ở dạng vng, chữ nhật, ellip,... nhưng anten vịng trịn
thì được sử dụng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản.
 Anten góc mở (Aperture Antennas): nó có dạng như hình nón, hình kim tự
tháp hay ống dẫn sóng. Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trước đây vì nhu cầu
hình thức anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn. Loại anten
này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ.

 Anten vi dải (Microstrip Antennas): anten này gồm một miếng kim loại
mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi. Miếng kim loại có thể có
nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn,... Anten
này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành

HVTH: Võ Hồng Ngân

4


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm
tay,...
 Anten dãy (Array Antennas): nhiều ứng dụng địi hỏi các đặc tính bức xạ
mà không thể đạt được ở một anten duy nhất. Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc
tính bức xạ của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả
mong muốn.
 Anten phản xạ (Reflector Antennas): do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng
cách lớn, hình thức anten tinh vi đã được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi
hàng triệu dặm. Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc.
 Anten ống kính (Lens Antennas): ống kính được sử dụng chủ yếu để chuẩn
trực năng lượng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hướng khơng mong
muốn. Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ
có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lượng khác nhau vào sóng mặt.
Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vơ hướng
(Omni-Directional) và anten định hướng (Directional). Anten vô hướng là anten
truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hướng theo trục ngang (song

song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín
hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với
hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu được tín
hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết.
Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một
hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng
D ,   và độ lợi G  ,   .
D  ,   mô tả kiểu bức xạ.

G  ,   cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ).

HVTH: Võ Hồng Ngân

5


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1]
2.2 Hệ phương trình Maxwell
Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của
điện động lực học đó là các phương trình Maxwell.
Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hịa
it

theo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn quy luật sin t , cos t dưới dạng phức e

E  Re( E eit )  E cos(t )

(2.1a)

hoặc E  Im( E e it )  E sin(t )
(2.1b)
Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:


rotH  i p E  J e

(2.2a)

rotE  iH

(2.2b)

divE 

e


(2.2c)

divH  0

(2.2d)

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

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

 

 p   1  i

 


(2.3)

(hệ số điện thẩm phức của môi trường)
ε : hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m)
HVTH: Võ Hồng Ngân

6


Báo cáo luận văn cao học

CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh

μ : hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
σ : điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)
J e : là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (

 e : là mật độ khối của điện tích. (

A
)
m2

C
)
m3

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong
một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta
đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dịng từ và từ tích. Khái niệm
dịng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng khơng có trong tự nhiên.
Hệ phương trình Maxwell tổng qt được viết lại như sau:
rotH  i p E  J e

(2.4a)

rotE  iH  J m

(2.4b)

m


(2.4c)

divE 

divH  

e


(2.4d)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H. Trong phương trình
nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền.
2.3 Đặc tính bức xạ điện từ của anten
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường
hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức
xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để hiểu rõ hơn về đặc tính bức xạ điện từ của anten ta xét ví dụ sau: một
mạch dao động thơng số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu
đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong khơng gian của tụ điện sẽ phát
sinh điện trường biến thiên, cịn trong khơng gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ
trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này khơng bức xạ ra ngồi mà bị ràng buộc
với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không
gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong
lịng cuộn cảm.

HVTH: Võ Hồng Ngân

7