Thiết kế anten vi dải phân cực tròn cho ứng dụng wlan dải tần 2,4 ghz

I HỌC QU C GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

V

NGỌC

I

THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN CHO
ỨNG DỤNG W AN DẢI TẦN 2,4 GHz
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
M s : 605270

U N V N THẠC S

TP H CH MINH th ng

n m


CƠNG TRÌNH ƢỢC HỒN THÀNH T I
TRƢỜNG

I HỌC BÁCH KHOA – HQG -HCM

C n bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Ư NG VINH QU C DANH

C n bộ chấm nhận xét

: TS Đ

H NG TUẤN

C n bộ chấm nhận xét

: TS PHẠ

QUANG THÁI

Luận v n thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng
HCM ngày 25 th ng

ại học B ch Khoa

HQG Tp

n m

Thành phần Hội đồng đ nh gi luận v n thạc sĩ gồm:
PGS TS PHẠ
2 TS Đ
TS V

H NG I N

H NG TUẤN
QUẾ S N

4 TS PHẠ

QUANG THÁI

TS CHẾ VIẾT NH T ANH
TS

Ư NG VINH QU C DANH

X c nhận của Chủ tịch Hội đồng đ nh gi LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận v n đ đƣợc sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI Đ NG

TRƯỞNG KHOA


TRƢỜNG

I HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGH A VIỆT NA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

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

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

Tp.HCM, ngày 25 tháng 01 n m
NHIỆ
Họ và tên học viên: V

VỤ U N V N THẠC S

NGỌC

I

MSHV: 10140031

Ngày th ng n m sinh: 07 – 12 – 1984

Nơi sinh: An Giang

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

M S : 605270

I. T N ĐỀ TÀI: Thiết kế anten vi dải ph n c c tr n cho ứng d ng WLAN dải tần
2,4 GHz.
II. NHIỆ
-

VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu và thiết kế anten ph n c c tr n cho ứng d ng WLAN dải tần
GHz.

-

Mô ph ng trên phần mềm HFSS

và thi c ng th c tế

o cƣờng độ sóng do anten tồn hƣớng th ng thƣờng có b n trên thị trƣờng so
với anten đƣợc thiết kế ở m i trƣờng có và kh ng có vật che chắn bằng phần
mềm Netstumbler đƣợc cài đặt trên m y Laptop đo c c th ng s t n xạ S bằng
máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8.

-

So s nh và đ nh gi kết quả

III. NGÀY GIAO NHIỆ

VỤ U N V N: Ngày 26 Th ng 02 N m

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆ

VỤ: Ngày 30 Th ng 11 N m 2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Ư NG VINH QU C DANH
Tp. HCM, ngày 25 tháng 01 n m
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆ

Ư NG VINH QU C DANH
TRƯỞNG KHOA

Đ

BỘ

N ĐÀO TẠO

H NG TUẤN


ỜI CẢ

N

Luận v n đƣợc hoàn thành là kết quả của qu trình phấn đấu học tập và s
nhiệt tình chỉ dạy của quý Thầy, C
TS.

Trƣớc hết em xin chân thành gởi đến Thầy -

ng Vinh Qu c D nh, ngƣời tr c tiếp hƣớng dẫn luận v n lòng biết ơn sâu

sắc S giúp đ tận tình c ng những kiến thức quý b u của Thầy đ giúp em hoàn
thành t t luận v n.
Xin ch n thành cảm ơn quý Thầy, C trong khoa

iện –

iện tử bộ m n

Vi n Th ng đ tận t m dạy bảo c ng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi đ em có th
hồn thành t t đề tài

ặc biệt gởi lời cảm ơn đến thầy Hoàng

ạnh Hà ngƣời đ

giúp đ nhiệt tình trong qu trình đo đạc tại ph ng thí nghiệm
Con xin gửi lời biết ơn v hạn đến cha mẹ và gia đình Cha mẹ đ nu i nấng
dạy d và kh ng ng ng động viên h trợ giúp con vƣợt qua những lúc khó kh n
nhất
Cu i c ng xin cảm ơn tất cả bạn bè và những ngƣời th n đ chia sẻ giúp đ
trong su t những n m học v a qua.
Tp Hồ Chí Minh th ng

n m 2013

Học Viên

V Ngọc

i


TÓ

TẮT U N V N THẠC S

S ph n c c ở cả hai anten ph t và thu là một vấn đề quan trọng đ giảm suy
hao trong qu trình truyền nhận tín hiệu trong c c hệ th ng v tuyến. Cho nên loại
anten ph n c c tr n đƣợc trình bày ở đ y là một giải pháp t i ƣu cho phép tính linh
hoạt hơn giữa hai góc truyền và nhận của hai anten, làm giảm t c d ng của phản xạ

đa đƣờng (multipath fading), t ng cƣờng th m nhập thời tiết và cho phép tính di
động cao.
Ở đ y luận v n tập trung giới thiệu một anten ph n c c tr n có khả n ng hoạt
động ở dải tần WLAN (Wireless Local Area Network) 2,4 GHz c ng nhƣ c c ứng
d ng của chúng Anten đƣợc thiết kế trong đề tài này bao gồm một tấm mạch in FRvới một khe đƣợc khắc hình chữ V và một tấm kim loại hình tr n (tấm phản xạ)
Bản mạch in FR- đƣợc đặt c ch tấm phản xạ một khoảng c ch nh

Kích thƣớc của

anten và vị trí đặt hai ngõ vào (port) tiếp tín hiệu sử d ng c p đồng tr c đƣợc t i ƣu
đ có đƣợc sóng ph n c c tr n tần s cộng hƣởng
dBi và độ c ch ly giữa hai ngõ vào dƣới –

GHz độ lợi đỉnh lớn hơn 8-

dB C c kết quả m ph ng ph hợp

với kết quả đo đạc th c tế Anten có th đƣợc sử d ng cho c c access point (AP) dải
tần

GHz có hệ th ng anten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 2x2.
Việc m ph ng anten đƣợc th c hiện trên phần mềm Ansoft HFSS và đƣợc

thi cơng trên PCB FR-4 có hằng s điện m i εr =

6 độ dày là

6 mm.

o cƣờng độ sóng do anten tồn hƣớng th ng thƣờng có b n trên thị trƣờng

so với anten đƣợc thiết kế ở m i trƣờng có và kh ng có vật che chắn bằng phần
mềm Netstumbler đƣợc cài đặt trên m y Laptop đo c c th ng s t n xạ S bằng m y
Vector Network Analyzer – R&S ZBV8.


ỜI CA

ĐOAN

ề tài “Thiết kế anten vi dải ph n c c tr n cho ứng d ng WLAN dải tần
GHz” dƣới s hƣớng dẫn của TS Lƣơng Vinh Qu c Danh T i xin cam đoan rằng
luận v n này là do chính t i th c hiện và chƣa có phần nội dung hay kết quả nào
của luận v n này đƣợc c ng b trên tập chí hay nộp đ lấy bằng trên c c trƣờng đại
học nào đó ngoại tr c c kết quả tham khảo đ đƣợc ghi rõ trong luận v n
Tp Hồ Chí Minh th ng
Học viên

V Ngọc

i

n m


ỤC ỤC
Chương 1: GI I THI U .............................................................................................1
1.1

ặt vấn đề .....................................................................................................1

1.2

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

1.3

i tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài................................................3

1.3.1

i tƣợng nghiên cứu ...........................................................................3

1.3.2

Phạm vi nghiên cứu...............................................................................3

1.4

Phƣơng ph p nghiên cứu và hƣớng giải quyết .............................................3

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ......................................................5
2.1

Giới thiệu chung về anten.............................................................................5

2.2

Hệ phƣơng trình Maxwell ............................................................................6

2.3

ặc tính bức xạ điện t của anten ................................................................ 7

2.4

ặc tính của đƣờng d y truyền sóng ............................................................8

2.4.1

Bƣớc sóng (Wavelenght) ......................................................................8

2.4.2

Trở kh ng đặc tính (characteristic impedance) .....................................9

2.4.3

Ph i hợp trở kh ng ................................................................................9

2.4.4

Hệ s phản xạ (Γ) ................................................................................10

2.4.5

Hiện tƣợng sóng đứng và tỷ s sóng đứng .........................................10

2.4.6

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

2.5

C c th ng s đặc trƣng của anten ............................................................... 11

2.5.1

Trở kh ng vào của anten .....................................................................12

2.5.2

Hệ s định hƣớng và độ t ng ích ........................................................13

2.5.3

Giản đồ bức xạ (Radiation pattern) .....................................................15

2.5.4

Mật độ c ng suất bức xạ và cƣờng độ bức xạ ....................................22

2.5.5

C ng suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng .......................................24

2.5.6

Hiệu suất của anten (et) .......................................................................25

2.5.7

Tính ph n c c của anten .....................................................................26

2.5.8

Dải tần của anten .................................................................................30

2.6

C c hệ th ng anten .....................................................................................32


Chương 3: ANTEN VI DẢI......................................................................................34
3.1

Giới thiệu ....................................................................................................34

3.2

Ƣu nhƣợc đi m của anten vi dải và xu hƣớng ph t tri n ..........................35

3.3

Cấu tạo ........................................................................................................35

3.4

Những phƣơng ph p cấp tín hiệu ............................................................... 38

3.4.1

Tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải ....................................................38

3.4.2

Tiếp điện bằng c p đồng tr c .............................................................. 39

3.4.3

Tiếp điện bằng c ch ghép khe .............................................................41

3.4.4

Tiếp điện bằng c ch ghép l n cận .......................................................42

3.5

Nguyên lý hoạt động của antenna vi dải ....................................................43

3.6

Tính ph n c c của anten vi dải ...................................................................44

3.7

Dải tần anten vi dải .....................................................................................46

3.8

Phƣơng ph p ph n tích và thiết kế anten vi dải .........................................47

3.8.1

M hình đƣờng truyền ........................................................................47

3.8.2

M hình h c cộng hƣởng ....................................................................49

3.8.3

M hình sóng đầy đủ..........................................................................52

3.8.4

Phƣơng ph p phần tử hữu hạn ............................................................52

3.9

Một s loại anten vi dải cơ bản ..................................................................53

3.10

Anten vi dải ph n c c tr n .........................................................................57

3.10.1

Anten vi dải ph n c c tr n với hai đƣờng tiếp đi m ..........................58

3.10.2

Anten vi dải ph n c c tr n với một đƣờng tiếp đi m ........................59

3.11

Tóm tắt .......................................................................................................59

Chương 4:
4.1

THIẾT KẾ VÀ O

C ....................................................................60

Phƣơng ph p thiết kế anten ........................................................................60

4.1.1

Cơ sở thiết kế anten.............................................................................60

4.1.2

Tính to n c c th ng s kỹ thuật cho anten ..........................................60

4.1.3

Phƣơng ph p tiếp điện cho anten ........................................................63

4.1.4

Tiêu chuẩn đ nh gi anten ..................................................................63

4.1.5

T i ƣu c c th ng s kỹ thuật cho anten ..............................................63

4.2

Kết quả m ph ng anten với phần mềm Ansoft HFSS .............................. 64


4.4

Kết quả m ph ng và đo đạc th c tế ..........................................................83

4.4.1

Hình ảnh th c tế của anten: ................................................................ 83

4.4.2

Kết quả m ph ng và đo đạc th c tế...................................................84

4.4.3

Kết quả đo bằng phần mềm Netstumbler ............................................86

Chương 5:

KẾT LUẬN VÀ Ề NGHỊ.................................................................88

5.1

KẾT LUẬN ................................................................................................ 88

5.2

Ề NGHỊ ....................................................................................................88

TÀI LI U THAM KHẢO .........................................................................................89
LÝ LỊCH KHOA HỌC .............................................................................................91


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Chương 2:

Ý THUYẾT C

BẢN VỀ ANTEN . Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1: Anten nhƣ một thiết bị truyền sóng [4] . Error! Bookmark not defined.
Hình

: M hình đƣờng truyền sóng .................. Error! Bookmark not defined.

Hình

: Phƣơng trình tƣơng đƣơng Thevenin cho hệ th ng anten [ ] ....... Error!

Bookmark not defined.

Hình

: Hệ th ng tọa độ đ ph n tích anten [4] . Error! Bookmark not defined.

Hình

5: Giản đồ bức xạ v hƣớng của một anten [ ] ....... Error! Bookmark not

defined.
Hình

6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [ ]

............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

7: C c búp sóng của anten bức xạ hƣớng tính (a) (b) ... Error! Bookmark

not defined.
Hình

8: C c v ng trƣờng của một anten [ ] ....... Error! Bookmark not defined.

Hình

9: Giản đồ bức xạ trƣờng xa của anten parabol tại c c khoảng c ch R kh c

nhau [4] .................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình

: S quay của sóng điện t phẳng ph n c c elip là hàm theo thời gian

(a), (b) .................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

: C c loại ph n c c [8]........................... Error! Bookmark not defined.

Hình

: ộ rộng b ng th ng ............................. Error! Bookmark not defined.

Chương 3: ANTEN VI DẢI .................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3 : Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tr n [5]............ Error!
Bookmark not defined.
Hình

: C c hình dạng của anten vi dải dạng tấm [6] ..... Error! Bookmark not

defined.
Hình

: Cấu trúc anten dipole vi dải [6] ............. Error! Bookmark not defined.

Hình

: C c hình dạng của anten vi dải sóng chạy [6] ..... Error! Bookmark not

defined.

Hình

5: a Tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải b Mạch điện tƣơng đƣơng

............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

6: a Tiếp điện bằng c p đồng tr c b Mạch điện tƣơng đƣơng........ Error!

Bookmark not defined.
Hình

7: a Tiếp điện bằng c ch ghép khe b Mạch điện tƣơng đƣơng ...... Error!

Bookmark not defined.
Hình

8: a Tiếp điện bằng ghép đ i l n cận b Mạch điện tƣơng đƣơng ... Error!

Bookmark not defined.
Hình

9: Tƣờng bức xạ E và H của antenna vi dải [ ]....... Error! Bookmark not

defined.
Hình

: Tiếp điện bằng

đƣờng vi dải [ ] ....... Error! Bookmark not defined.

Hình

: ồ thì bức xạ D của anten [ ] ........... Error! Bookmark not defined.

Hình

: Tiếp điện bằng

đƣờng vi dải vào hai cạnh của anten [ ] ......... Error!

Bookmark not defined.
Hình

: ồ thị bức xạ D của anten [ ] ........... Error! Bookmark not defined.

Hình

: (a)

ƣờng vi dải [5] (b) C c đƣờng điện trƣờng [5] ................ Error!

Bookmark not defined.
Hình

5: Trƣờng ph n b [5] ............................. Error! Bookmark not defined.

Hình

6: Mật độ điện tích và d ng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [5] ... Error!

Bookmark not defined.
Hình

7: C c dạng tấm bức xạ anten vi dải ....... Error! Bookmark not defined.

Hình

8: Một vài dipole mạch in và vi dải [6] ... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.19: Anten khe mạch in với c c cấu trúc tiếp điện [6] .... Error! Bookmark
not defined.
Hình

: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [6] ..... Error! Bookmark

not defined.
Hình

: Anten tấm bức xạ hình chữ nhật [6] ... Error! Bookmark not defined.

Hình

: C c anten ph n c c tr n với hai đƣờng tiếp điện [6] ................. Error!

Bookmark not defined.


Hình

: C c anten ph n c c tr n với một đƣờng tiếp điện [6] ................ Error!

Bookmark not defined.
Chương 4:

THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC .................. Error! Bookmark not defined.

Hình

: Anten đĩa tr n [ ] .................................. Error! Bookmark not defined.

Hình

: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu ...... Error! Bookmark not defined.

Hình

: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu ..... Error! Bookmark not defined.

Hình

: Anten đƣợc thiết kế trong Ansoft HFSSError! Bookmark not defined.

Hình

5: ồ thị D th hiện độ định hƣớng của anten ...... Error! Bookmark not

defined.
Hình

6: ồ thị D th hiện độ lợi của anten....... Error! Bookmark not defined.

Hình

7: ồ thị bức xạ của anten ......................... Error! Bookmark not defined.

Hình

8: Hệ s phản xạ (S11, S22 ) và c ch ly giữa hai ngõ vào (S21, S12) ... Error!

Bookmark not defined.
Hình

9: Tỷ s sóng đứng của anten ở ngõ vào

(a) và

(b) . Error! Bookmark

not defined.
Hình

: Tỷ s ph n c c của anten tại   00 ,   900 ..... Error! Bookmark not

defined.
Hình

: Ph n b d ng điện của anten ............... Error! Bookmark not defined.

Hình

: Kích thƣớc của khe chữ V ................... Error! Bookmark not defined.

Hình

: Anten đƣợc cắt khe trên tấm bức xạ .... Error! Bookmark not defined.

Hình

: ồ thị D th hiện độ định hƣớng của anten khi cắt khe ............ Error!

Bookmark not defined.
Hình

5: ồ thị D th hiện độ lợi của anten khi cắt khe Error! Bookmark not

defined.
Hình

6: ồ thị bức xạ D của anten khi cắt khe ............ Error! Bookmark not

defined.
Hình

7: Hệ s phản xạ (S11, S22 ) c ch ly giữa hai ngõ vào (S21, S12) khi cắt

khe ......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

8: Tỷ s sóng đứng của anten khi cắt khe ở ngõ vào

(a) ngõ vào

(b)

............................................................................... Error! Bookmark not defined.


Hình

9 Ph n b d ng điện của anten khi cắt khe .......... Error! Bookmark not

defined.
Hình

ồ thị D th hiện độ định hƣớng của anten với đƣờng kính tấm bức

xạ 57 mm ............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình

ồ thị D th hiện độ lợi của anten với đƣờng kính tấm bức xạ

57.2mm .................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình

ồ thị bức xạ dạng D của anten với đƣờng kính tấm bức xạ 57 mm

............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

: Hệ s phản xạ (S11, S22 ) c ch ly giữa hai ngõ vào (S21, S12) của anten

với đƣờng kính tấm bức xạ 57 mm .................... Error! Bookmark not defined.
Hình

: Tỷ s sóng đứng của anten ở ngõ vào

(a) và

(b) với đƣờng kính

tấm bức xạ 57 mm .............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình

5: Tỷ s ph n c c của anten tại   00 ,   900 với đƣờng kính tấm bức

xạ 57 mm ............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình

6 Ph n b d ng điện của anten với đƣờng kính tấm bức xạ 57 mm

............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

7: Kết quả m ph ng S12 (S21) với tấm bức xạ có và kh ng có khe chữ V

............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

8: Vị trí tiếp điên của hai ngõ vào trên tấm bức xạ ..... Error! Bookmark

not defined.
Hình

9: Mặt trên của anten th c tế .................. Error! Bookmark not defined.

Hình

: Mặt sau của anten th c tế ................... Error! Bookmark not defined.

Hình

: Hệ s phản xạ S11 ................................ Error! Bookmark not defined.

Hình

: Hệ s phản xạ S22 ................................ Error! Bookmark not defined.

Hình

: ộ c ch ly S12 (S21) ............................. Error! Bookmark not defined.

Hình

: Kết quả đo cƣờng độ tín hiệu WLAN trong m i trƣờng fading mạnh

............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình

5: Kết quả đo cƣờng độ tín hiệu WLAN trong m i trƣờng fading yếu

............................................................................... Error! Bookmark not defined.


DANH SÁCH BIỂU BẢNG
Chương 2:
Bảng
Chương 4:
Bảng

Ý THUYẾT C

BẢN VỀ ANTEN . Error! Bookmark not defined.

: Quy ƣớc về c c dải tần s ..................... Error! Bookmark not defined.
THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC .................. Error! Bookmark not defined.
: Th ng kê kết quả m ph ng anten CMSA khi thay đổi đƣờng kính tấm

tấm bức xạ ............................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng

: Th ng kê kết quả m ph ng anten CMSA khi thay đổi đƣờng kính mặt

phản xạ .................................................................. Error! Bookmark not defined.
Bảng

: Th ng kê kết quả m ph ng anten CMSA khi thay đổi khoảng c ch

giữa tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ .................... Error! Bookmark not defined.
Bảng

: Th ng kê kết quả m ph ng anten CMSA khi thay đổi vị trí tiếp điện

(r0). ......................................................................... Error! Bookmark not defined.


CÁC CH

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

RF

Radio – Frequency

FDTD

Finite Diference Time Domain

TEM

Transverse Electric Magnetic

MPA

Microstrip Patch Antenna

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU


Phi



Theta

E

Biên độ phức của vector cƣờng độ điện trƣờng (V/m)

H

Biên độ phức của vector cƣờng độ t trƣờng (A/m)

ε

Hằng s điện m i tuyệt đ i của m i trƣờng (F/m)

μ

Hệ s t thẩm của m i trƣờng (H/m)

σ

iện dẫn xuất của m i trƣờng (Si/m)

Je

Biên độ phức của vecto mật độ d ng điện (

e

Là mật độ kh i của điện tích. (

C
)
m3

A
)
m2


λ

Bƣớc sóng [m]

f

Tần s tín hiệu [Hz]

εeff

Hằng s điện m i hiệu d ng

v

Vận t c truyền sóng [m/s]

c= 3.108 m/s Vận t c nh s ng
Z0

Trở kh ng đặc tính

R0

Trở kh ng đƣờng d y truyền sóng

ZL

Trở kh ng tải

Γ

Hệ s phản xạ

Vr và Ir

iện thế và d ng điện sóng phản xạ

Vi và Ii

iện thế và d ng điện sóng tới

Pt

Cơng suất đi đến tải

Pr

C ng suất phản xạ

Vmax, Imax

iện p và d ng điện c c đại kh ng đổi trên đƣờng d y

Vmin, Imin

iện p và d ng điện c c đại kh ng đổi trên đƣờng

VSWR
UA, IA

Tỷ s sóng đứng điện p (Voltage Standing Wave Ratio)
iện p và d ng điện đặt vào anten

ZA

Trở kh ng vào của anten

IAe

D ng điện hiệu d ng tại đầu vào anten

D

ộ định hƣớng (directivity)

D0

ộ định hƣớng c c đại (maximum directivity)

U

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

Umax

Cƣờng độ bức xạ c c đại (maximum radiation intensity) [W/Sr]

U0

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

Prad

C ng suất bức xạ [W]

G

ộ lợi

e

Hiệu suất

D

Kích thƣớc lớn nhất của anten

R1

B n kính lớn

R2

B n kính nh


Vector Poynting tức thời (W/m2)
Cƣờng độ điện trƣờng tức thời (V/m)
Cƣờng độ t trƣờng tức thời (A/m)
Tổng c ng suất tức thời (W)
Vector đơn vị ph p tuyến với bề mặt
da

Vi ph n diện tích của bề mặt (m2)

Wrad

Là mật độ bức xạ (W/m2)

EIRP

C ng suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng (Equivalent Isotropically
Radiated Power)

PT

C ng suất đầu ra của m y ph t đƣa vào anten

GT

Hệ s t ng ích của hệ th ng anten có hƣớng tính

ep

Hiệu suất ph n c c anten

e

Hiệu suất bức xạ của anten

er

Hiệu suất do phản xạ (do kh ng ph i hợp trở kh ng giữa anten và
đƣờng d y truyền sóng)

Zin

Trở kh ng vào của anten

Z0

Trở kh ng đặc tính của d y truyền sóng

Exo và Eyo

Biên độ c c đại của c c thành phần trƣờng theo tr c x và y

BW

B ng th ng của anten (Bandwidth)

fmax, fmin, f0

Tần s cao nhất tần s thấp nhất và tần s trung t m của b ng th ng

Δf

ộ rộng b ng

f

Tần s hoạt động

h

ộ dày điện m i

r

Hằng s điện m i của chất nền

W

ộ rộng của tấm tấm bức xạ

 eff

Suy hao h c cộng hƣởng đƣợc tính to n bằng (effective loss tangent)

QT

Hệ s đặc tính tổng th của anten

Qd

Hệ s đặc tính của chất điện m i

r

Tần s góc cộng hƣởng


WT

N ng lƣợng tổng cộng khi anten cộng hƣởng

Pd

Chất điện m i tổn hao

tan 

Loss tangent của chất điện m i

QC

Hệ s đặc tính của chất dẫn

PC

C ng suất tổn hao chất dẫn



ộ dày lớp da của d y dẫn

Qr

M tả đặc tính của s bức xạ

ae

Là b n kính hiệu d ng của tấm tấm bức xạ [m]

a

Là b n kính của tấm tấm bức xạ [m]

h

Là độ dày của lớp điện m i [m]

S11, S22

Tổn hao phản xạ (Return Loss)

S21, S12

C ch ly giữa hai ngõ vào (Isolation between

r0

Vị trí tiếp điện

r1

B n kính của tấm phản xạ

r2

B n kính của khe hình tr n tại t m

h1

Khoảng c ch giữa tấm bức xạ và tấm phản xạ

h2

ộ dày lớp điện m i

ports)


Luận văn cao học

1

CBHD: TS Lƣơng Vinh Qu c Danh

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1

Đ t vấn ề
Ngày nay việc ph t tri n và ứng d ng c c phƣơng ph p xử lý tín hiệu c ng

với những thành t u đạt đƣợc trong lĩnh v c c ng nghệ vi điện tử và điện tử siêu
cao tần cho phép thiết lập nên nhiều loại anten nh gọn với độ lợi rất cao ph hợp
với nhiều m c đích truyền nhận th ng tin kh c nhau Vì thế việc nghiên cứu và chế
tạo nên những loại anten trên nền những tấm mạch in (anten vi dải) có th đƣợc coi
là bƣớc ph t tri n lớn trong những thập niên gần đ y[1].
Những anten vi dải đầu tiên là những anten phẳng đƣợc nghiên cứu và thiết
kế đ đ p ứng c c hệ th ng GSM (Global System for Mobile communication, 890 –
960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS
(Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz), UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System, 1920 –

7 MHz) và thiết bị truyền th ng cho hệ

th ng mạng c c bộ kh ng d y WLAN (Wireless Local Area Network) trong c c dải
tần

4 GHz (IEEE 802.11b/g, 2,4 – 2,484 GHz) và 5,2/5,8 GHz (IEEE 802.11a,

5,15 – 5,35/ 5,725-5,825 GHz) [9] Chúng c ng gi ng nhƣ c c loại anten th ng
thƣờng kh c là thiết bị thu và ph t sóng điện t trong nhiều m i trƣờng kh c nhau
nhƣ: m i trƣờng đ thị hoặc trong nhà, có hay kh ng có nhiều vật che chắn… Ngồi
c c đặc tính đó đi m đặc biệt hơn hẳn so với c c loại th ng thƣờng là anten vi dải
hiện nay đang đƣợc ứng d ng r ng rải trong c c thiết bi yêu cầu tính thẩm mỹ cao
chất lƣợng tín hiệu t t…
Trong m i trƣờng th c tế sóng v tuyến lan truyền trong kh ng gian kh ng
chỉ truyền theo hƣớng tr c tiếp mà c n qua qu trình phản xạ t n xạ rất phức tạp
Vì thế hƣớng truyền của sóng v tuyến có th bị thay đổi đ ng k

có hiệu quả

cao trong việc truyền nhận tín hiệu một anten vi dải ph n c c tr n trở thành một
yêu cầu bức thiết cần phải đƣợc nghiên cứu thiết kế. Loại anten này đƣợc xem là
một trong các giải ph p có hiệu quả đ làm giảm ảnh hƣởng của hiện tƣợng phản xạ
đa đƣờng (multipath fading) và đặc biệt ph hợp cho trƣờng hợp ngƣời sử d ng di
chuy n với trạm ph t sóng c định
hi
an en vi d i ph n c c n
cho ng d ng L N d i n 2,4 GHz

HVTH: Võ Ngọc Lợi


Luận văn cao học

2

CBHD: TS Lƣơng Vinh Qu c Danh

Xuất ph t t vấn đề th c tế trên đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế một
anten ph n c c tr n (ph n c c dọc và ngang) cho ứng d ng WLAN dải tần

4

GHz, c th là anten vi dải hình tr n có hai ngõ vào TPCMSA (Two - Port Circular
Microtrip Antenna) với tấm tấm bức xạ hình tr n đ đƣợc cải tiến trên nền mạch in
FRs

c ng với mặt phản xạ bằng nh m với kích thƣớc thích hợp cộng hƣởng tại tần
44 GHz [2]. Với đặc tính ph n c c nhƣ thế cho phép anten thu và anten phát

giữ qu trình liên lạc d chúng kh ng nằm trên c ng mặt phẳng ph n c c Kết quả
m ph ng trên m y tính (c c th ng s t n xạ S11, S22, S21, S12) đƣợc so s nh với kết
quả đo đạc th c tế

ộ lợi của anten c ng đƣợc ki m chứng th c tế th ng qua việc

đo đạc và so s nh sử d ng AP với anten có độ lợi 4 dBi.
1.2

ịch sử giải quyết vấn ề
Anten vi dải là loại anten đƣợc đề xuất đầu tiên bởi G A Deschamps vào

n m 95 [7] sau đó nhanh chóng đƣợc ph t tri n đi n hình nhƣ: T G AboElnaga, E. A. F. Abdallah, and H. El-Hennawy thiết kế anten ph n c c tr n b ng

rộng cho bộ đọc RFID (radio – frequency identification) dải tần s

GHz Dau-

Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hiệu suất
cao[10]…
C ng với c c loại anten kh c thì anten vi dải ph n c c tr n đƣợc xem là một
trong các giải ph p có hiệu quả đ làm giảm ảnh hƣởng của phản xạ đa đƣờng
(multipath fading) và đặc biệt ph hợp cho trƣờng hợp ngƣời sử d ng di chuy n với
trạm ph t sóng c định Do đó có nhiều bài b o giới thiệu về c c loại anten ph n
c c tròn đ đƣợc c ng b trong thời gian qua đi n hình nhƣ: V G Kasabegoudar
and K J Vinoy thiết kế anten vi dải b ng rộng tiếp điện rời có ph n c c tr n S A
Malekabadi với anten ph n c c tr n sử d ng một đƣờng tiếp điện [2][3]. T lịch sử
ph t tri n nên t c giả chọn đề tài thiết kế một anten ph n c c tr n có độ lợi cao
tiếp điện bằng c p đồng tr c với hai ngõ vào ứng d ng cho hệ th ng WLAN dải tần
2,4 GHz làm m c tiêu nghiên cứu.

hi
an en vi d i ph n c c n
cho ng d ng L N d i n 2,4 GHz

HVTH: Võ Ngọc Lợi


Luận văn cao học

1.3

Đ it

1.3.1 Đ i t

CBHD: TS Lƣơng Vinh Qu c Danh

3

ng và phạm vi nghi n cứu củ

ề tài

ng nghi n cứu

i tƣợng của đề tài là thiết kế m ph ng một antenna vi dải hình tr n có
hai ngõ vào hoạt động ở dải tần

GHz Antenna vi dải này sử d ng kỹ thuật tiếp

điện bằng hai c p đồng tr c đặt trên hai đƣờng xuyên t m lệch nhau 9 0, nhằm tạo
ra hƣớng bức xạ tr n (gồm ph n c c dọc và ngang) sử d ng trong hệ th ng WLAN
cộng hƣởng tại tần s

44 GHz[1]. Sau đó là qu trình thi c ng đo đạc và đ nh gi

với kết quả
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
ề tài tập trung nghiên cứu cơ bản về anten ph n c c tr n với tấm bức xạ
hình tr n CMP (Circular Microstrip Patch) giới thiệu cấu trúc chung c ng nhƣ
những thuận lợi và khó kh n trong qua trình thiết kế Tìm hi u phần mềm Ansoft
HFSS 13.0.2[17] sau đó tiến hành thiết kế cấu trúc và m ph ng đ t i ƣu các kích
thƣớc Cu i c ng thi c ng anten th c tế với mặt phản xạ nh m và tấm tấm bức xạ là

tấm mạch in FR- hoạt động t t ở dải tần s
1.4

Ph

4 GHz.

ng ph p nghi n cứu và h ớng giải quyết

ề tài tập trung vào lĩnh v c thiết kế anten nên điều quan trọng trƣớc hết là
cần nắm rõ c c kiến thức về trƣờng điện t

kỹ thuật siêu cao tần kỹ thuật anten

truyền sóng… nghiên cứu về c c th ng s cơ bản của anten tìm hi u anten vi dải
các đặc tính của anten vi dải c ng nhƣ c ch tính to n c c th ng s cho anten X c
định rõ c c th ng s kỹ thuật của tấm mạch in chế tạo anten c ng là điều rất quan
trọng
Tìm hi u chƣơng trình m ph ng Ansoft HFSS 13.0.2 [17] c ch khởi tạo c c
vật th trong HFSS c ch đặt c c th ng s đ m ph ng và xem kết quả Sau đó tiến
hành thiết kế cấu trúc anten D và m ph ng trên phần mềm trong qu trình m
ph ng cần th ng kê c c kết quả m ph ng xem xét s thay đổi c c th ng s của
anten ảnh hƣởng qua lại của việc điều chỉnh kích thƣớc anten với kết quả m ph ng
đ tiện cho việc điều chỉnh sau này
Tiến hành thiết kế anten th c tế khi thấy c c kết quả m ph ng đạt yêu cầu
D ng m y đo chuyên d ng đ đo đạc anten th c tế t đó so s nh với kết quả m
hi
an en vi d i ph n c c n
cho ng d ng L N d i n 2,4 GHz

HVTH: Võ Ngọc Lợi


Luận văn cao học

4

CBHD: TS Lƣơng Vinh Qu c Danh

ph ng Xem xét và điều chỉnh anten sao cho th a m n và ph hợp c c yêu cầu trong
th c tế Bƣớc cu i c ng là hoàn chỉnh anten và đem ứng d ng vào th c tế

hi
an en vi d i ph n c c n
cho ng d ng L N d i n 2,4 GHz

HVTH: Võ Ngọc Lợi


Luận văn cao học

5

Chương 2:

2.1

Ý THUYẾT C

CBHD: TS Lƣơng Vinh Qu c Danh

BẢN VỀ ANTEN

Giới thiệu chung về nten
Thiết bị d ng đ bức xạ hoặc thu nhận sóng điện t t kh ng gian bên ngoài

đƣợc gọi là anten Nói c ch kh c anten là cấu trúc chuy n tiếp giữa kh ng gian t
do và thiết bị dẫn sóng (guiding device) nhƣ th hiện trong Hình

Th ng thƣờng

giữa m y ph t và anten ph t c ng nhƣ giữa m y thu và anten thu kh ng n i tr c
tiếp với nhau mà đƣợc ghép với nhau qua đƣờng truyền n ng lƣợng điện t

gọi là

feeder Trong hệ th ng này m y ph t có nhiệm v tạo ra dao động điện cao tần
Dao động điện sẽ đƣợc truyền đi theo feeder tới anten ph t dƣới dạng sóng điện t
ràng buộc Ngƣợc lại anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện t t do t kh ng gian bên
ngồi và biến đổi thành sóng điện t ràng buộc Sóng này đƣợc truyền theo feeder
tới m y thu Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải th c hiện việc truyền và
biến đổi n ng lƣợng với hiệu suất cao nhất và kh ng g y ra méo dạng tín hiệu Vì
vậy anten là bộ phận quan trọng kh ng th thiếu trong tất cả c c hệ th ng v tuyến
điện đồng thời quyết định rất nhiều vào c c tính chất kh c nhau của tuyến th ng tin
liên lạc [4][5].
Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc kh c nhau có loại rất đơn giản nhƣng
có loại rất phức tạp Th ng thƣờng có hai loại anten là anten v hƣớng (OmniDirectional) và anten định hƣớng (Directional) Anten v hƣớng là anten truyền tín
hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả c c hƣớng theo tr c ngang (song song mặt
đất) đ cho c c m y thu đặt ở c c hƣớng bất kỳ điều có th thu đƣợc tín hiệu của đài
ph t Song anten lại cần bức xạ định hƣớng trong mặt phẳng đứng với hƣớng c c

đại song song với mặt đất đ c c đài thu trên mặt đất có th thu đƣợc tín hiệu lớn
nhất và đ giảm nh n ng lƣợng bức xạ theo c c hƣớng kh ng cần thiết Anten định
hƣớng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện t theo một hƣớng nhất
định cao hơn c c hƣớng kh c vì vậy nó ph thuộc vào hệ s định hƣớng D ,   và
độ lợi G ,   [4][5].
D ,   m tả ki u bức xạ

hi
an en vi d i ph n c c n
cho ng d ng L N d i n 2,4 GHz

HVTH: Võ Ngọc Lợi


Luận văn cao học

6

CBHD: TS Lƣơng Vinh Qu c Danh

G ,   cho ta biết s tổn hao (nhiệt hay c ng suất bức xạ vào c c búp ph )

Hình 2.1: Anten nhƣ một thiết bị truyền sóng [4]

2.2

Hệ ph

ng trình

xwell

Lý thuyết anten đƣợc x y d ng trên cơ sở những phƣơng trình cơ bản của
điện động l c học đó là c c phƣơng trình Maxwell [4][5].
Trong phần này ta coi c c qu trình điện t là các quá trình biến đổi điều h a
theo thời gian nghĩa là có th bi u di n qui luật sin t , cos t dƣới dạng phức

E  Re( E eit )  E cos(t )
(2.1a)

hoặc E  Im( E eit )  E sin(t )
(2.1b)

e it

C c phƣơng trình Maxwell ở dạng vi ph n đƣợc viết dƣới dạng:


rotH  i p E  J e

(2.2a)

rotE  iH

(2.2b)

e
divE 


(2.2c)

divH  0

(2.2d)

E là biên độ phức của vector cƣờng độ điện trƣờng (V/m)
H là biên độ phức của vector cƣờng độ t trƣờng (A/m)
hi
an en vi d i ph n c c n
cho ng d ng L N d i n 2,4 GHz

HVTH: Võ Ngọc Lợi