Thiết kế hệ thống anten vòng cải thiện băng thông cho ứng dụng mạng wlan 2 4ghz

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VỊNG CẢI THIỆN BĂNG THƠNG CHO ỨNG DỤNG MẠNG WLAN 2.4GHZ Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Võ Hồng Ngân Đồng Nai, tháng 05 năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ỨNG DỤNG MẠNG WLAN 2.4GHZ Mã số: Chủ nhiệm đề tài Võ Hồng Ngân Đồng Nai, tháng 05 năm 2020 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA PHỐI HỢP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ tên Học vị, học hàm chuyên môn Nguyễn Xuân Toại Thạc sĩ Đại học Công Nghệ Đồng Nai Lương Văn Thanh Sinh viên Trường ĐH công nghệ Đồng Nai Vũ Thành Lộc Sinh viên Trường ĐH công nghệ Đồng Nai Trần Bảo Minh Nhật Sinh viên Trường ĐH công nghệ Đồng Nai HVTH: Võ Hồng Ngân Cơ quan công tác Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Lịch sử giải vấn đề 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu .2 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu hướng giải CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 2.1 Giới thiệu chung anten 2.2 Hệ phương trình Maxwell 2.3 Đặc tính xạ điện từ anten .7 2.4 Đặc tính đường dây truyền sóng 2.5 Các thông số đặc trưng anten 10 2.6 Các hệ thống anten 17 CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI 19 3.1 Giới thiệu 19 3.2 Ưu, nhược điểm anten vi dải xu hướng phát triển 19 3.3 Cấu tạo .20 3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu 21 3.5 Nguyên lý hoạt động antenna vi dải 24 3.6 Tính phân cực anten vi dải 25 3.7 Dải tần anten vi dải 25 3.8 Phương pháp phân tích thiết kế anten vi dải 27 3.9 Một số loại anten vi dải 30 3.10 Anten vòng 32 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC 34 4.1 Phương pháp thiết kế anten .34 4.2 Kết mô anten với phần mềm Ansoft HFSS .38 4.4 Kết mô đo đạc thực tế 57 HVTH: Võ Hồng Ngân Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 65  Kết luận 65 HVTH: Võ Hồng Ngân Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế hệ thống anten vòng cải thiện băng thông cho ứng dụng mạng WLAN 2.4GHz - Mã số: - Chủ nhiệm đề tài: ThS Võ Hồng Ngân - Điện thoại: 0939289001 Email: vohongngan@dntu.edu.vn - Đơn vị quản lý chuyên môn (Khoa, Tổ môn): Công nghệ, Điện tử - Thời gian thực hiện: 10/2019 đến 4/2020 Mục tiêu: Thiết kế anten phân cực kép (tốt phân cực dọc ngang) cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz, cụ thể anten vi dải dạng vịng có đặc tính phân cực kép (bằng cách xoay điểm dẫn nạp) với tấm xạ hình trịn cải tiến mạch in FR-4, với mặt phản xạ nhơm với kích thước thích hợp cộng hưởng tần số 2.44 GHz Bên cạnh đó, hạn chế anten vi dải băng thông hẹp nên đề tài cải thiện băng thơng để anten sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng Nội dung chính: Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc chung, đặc tính phân cực kép anten vi dải Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, tiến hành thiết kế cấu trúc, sau mơ để tối ưu kích thước Cuối tiến hành thiết kế anten thực tế có ba port với mặt phản xạ nhơm hoạt động dải tần 2.4 GHz Kết mô máy tính (các thơng số tán xạ S11, S22, S33, S21, S31, S32) so sánh với kết đo đạc thực tế Độ lợi anten kiểm chứng thực tế thông qua việc đo đạc so sánh sử dụng anten có độ lợi dBi Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với anten tồn hướng Kết đạt được: Anten phân cực kép thiết kế mạch in FR-4 Anten làm vật liệu mạch in FR-4 cho xạ, nhôm cho mặt phản xạ Với việc xoay điểm dẫn nạp 45o nhằm tạo phân cực kép cho anten cắt khe vịng để cải thiện băng thơng độ lệch trường Eθ, Eϕ Kích thước anten: đường kính mặt phản xạ nhơm 140 mm, đường kính chất 128 mm, khoảng cách mặt phản xạ 11.4 mm Kết đạt phù hợp thực tế HVTH: Võ Hồng Ngân Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Truyền thông không dây phát triển nhanh năm gần đây, bên cạnh yêu cầu kỹ thuật ngày cao, anten chế tạo việc quan tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng anten độ bền, trọng lượng anten phải nhẹ, kích thước anten phải nhỏ gọn…cũng mối quan tâm hàng đầu Các anten phẳng, chẳng hạn anten vi dải (microstrip antenna) có ưu điểm hấp dẫn kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo dễ tích hợp lên access-point (AP) hay thiết bị di động Cũng lí này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu anten Và thực tế cho thấy truyền thơng khơng dây sóng vô tuyến lan truyền không theo hướng trực tiếp mà cịn theo nhiều hướng khác qua q trình phản xạ, tán xạ… phức tạp, nên đường truyền sóng vơ tuyến bị thay đổi đáng kể Bên cạnh đó, hệ thống truyền thơng khơng dây đại với tốc độ truyền liệu cao giới hạn băng tần kênh Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền liệu việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, khơng gian cần thiết cho hệ thống tăng lên, độ phức tạp hệ thống xử lý tín hiệu nhiều chiều tăng lên Từ để tăng hiệu truyền nhận dung lượng kênh truyền hệ thống việc sử dụng loại anten phân cực kép (dual polarization), có nhiều port vào cho hệ thống MIMO (multiple-input-multipleoutput) thật vấn đề thiết nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu Xuất phát từ vấn đề thực tế đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế anten phân cực kép (tốt phân cực dọc ngang) cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz, cụ thể anten vi dải dạng vịng có đặc tính phân cực kép (bằng cách xoay điểm dẫn nạp) với tấm xạ hình trịn cải tiến mạch in FR-4, với mặt phản xạ nhôm với kích thước thích hợp cộng hưởng tần số 2.44 GHz Bên cạnh đó, hạn chế anten vi dải băng thông hẹp nên đề tài cải thiện băng thơng để anten sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng Kết mô máy tính (các thơng số tán xạ S11, S22, S33, S21, S31, S32) so sánh với kết đo đạc thực tế Độ lợi anten kiểm chứng thực tế thông TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường qua việc đo đạc so sánh sử dụng anten có độ lợi dBi Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với anten toàn hướng 1.2 Lịch sử giải vấn đề Anten vi dải loại anten đề xuất G A Deschamps vào năm 1953, sau nhanh chóng phát triển điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten phân cực kép tần số 2,4 GHz GHz, Dau-Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hiệu suất cao… Cùng với loại anten khác anten vi dải phân cực kép xem giải pháp để làm giảm ảnh hưởng tượng đa đường (multipath fading) đặc biệt phù hợp không gian có hạn phát liệu phân cực thu anten phân cực khác cách đồng thời Do có nhiều báo giới thiệu loại anten phân cực kép cơng bố thời gian qua điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten vòng phân cực kép với hai vòng cộng hưởng 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 anten phân cực kép, có độ lợi cao, băng thông tương đối rộng, tiếp điện 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 phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng đề tài thiết kế, mơ ba anten vi dải dạng vịng lưỡng cực có ba port in chất FR4 tròn hoạt động dải tần 2.4 GHz Ba anten vi dải xếp xoay vòng bề mặt với góc nghiêng 120o để tạo thành cấu trúc đối xứng sử dụng hệ thống MIMO WLAN Các anten chia sẻ dẫn nạp nối đất chung thông qua đoạn cáp đồng trục nhỏ (Minicoaxial) Sau q trình mơ q trình thi công, đo đạc đánh giá kết 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc chung, đặc tính phân cực kép anten vi dải Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, tiến hành thiết kế cấu trúc, sau TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường mô để tối ưu kích thước Cuối tiến hành thiết kế anten thực tế có ba port với mặt phản xạ nhôm hoạt động dải tần 2.4 GHz 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu hướng giải Đề tài tập trung vào lĩnh vực thiết kế anten nên điều quan trọng trước hết cần nắm rõ kiến thức trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật anten truyền sóng… nghiên cứu thơng số anten, tìm hiểu anten vi dải, đặc tính anten vi dải, cách tính tốn thơng số cho anten Xác định rõ thông số kỹ thuật mạch in chế tạo anten điều quan trọng Tìm hiểu chương trình mơ Ansoft HFSS 13.0.2, cách khởi tạo vật thể HFSS, cách đặt thông số để mơ xem kết Sau tiến hành thiết kế cấu trúc anten 3D mô phần mềm, q trình mơ cần thống kê kết mô phỏng, xem xét thay đổi thông số anten, ảnh hưởng qua lại việc điều chỉnh kích thước anten với kết mô để tiện cho việc điều chỉnh sau Tiến hành thiết kế anten thực tế thấy kết mô đạt yêu cầu Dùng máy đo chuyên dụng để đo đạc anten thực tế từ so sánh với kết mơ Xem xét điều chỉnh anten cho thỏa mãn phù hợp yêu cầu thực tế Bước cuối hoàn chỉnh anten đem ứng dụng vào thực tế TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 2.1 Giới thiệu chung anten Thiết bị dùng để xạ thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi gọi anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng (guiding device), thể Hình 2.1 Thông thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi feeder Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo feeder tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo feeder tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten feeder phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao khơng gây méo dạng tín hiệu Vì vậy, anten phận quan trọng thiếu tất hệ thống vô tuyến điện, đồng thời định nhiều vào tính chất khác tuyến thơng tin liên lạc Anten có nhiều hình dạng cấu trúc khác nhau, có loại đơn giản có loại phức tạp [1] Nếu phân loại dựa hình dạng ta có loại anten sau:  Anten đường (Wire Antennas): loại anten quen thuộc có khắp nơi tơ, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, Nó gồm anten đường thẳng (anten lưỡng cực), anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix) Trong anten vịng khơng có dạng trịn mà cịn dạng vng, chữ nhật, ellip, anten vịng trịn sử dụng rộng rãi có cấu trúc đơn giản  Anten góc mở (Aperture Antennas): có dạng hình nón, hình kim tự tháp hay ống dẫn sóng Anten trở nên quen thuộc trước nhu cầu hình thức anten tinh vi ngày tăng việc sử dụng tần số cao Loại anten hữu ích cho máy bay tàu vũ trụ  Anten vi dải (Microstrip Antennas): anten gồm miếng kim loại mỏng đặt bề mặt đất cách lớp điện mơi Miếng kim loại có nhiều hình dạng khác hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn, Anten phổ biến cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo cài đặt dễ, giá thành TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường  Phân bố dịng điện anten: Hình 4.31: Phân bố dòng điện anten cắt khe nhỏ  Đồ thị trường Eθ, Eϕ xoay vị trí điểm tiếp điện 45o Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z Hình 4.32: Đồ thị trường Eθ, Eϕ anten cắt khe nhỏ Độ lệch trường Eθ, Eϕ giảm xuống 2.3 dB Kết luận: Qua mô ta đạt kết quả:  Anten cộng hưởng tần số 2.44 GHz  Độ lợi đạt 8.45 dB (Hình 4.25) độ định hướng 8.7 dB (Hình 4.26)  Tỷ số sóng đứng VSWR 1.11 dB (Hình 4.29) TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 52 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường  Băng thơng anten khoảng 285 MHz (Hình 4.28) Cải thiện 125 MHz so với anten vòng ban đầu  Đồ thị xạ anten có búp sóng khoảng 60o (Hình 4.27)  Hệ số cách ly -20 dB (Hình 4.30)  Độ lệch Eθ, Eϕ giảm xuống 2.3 dB so với anten chưa cắt khe nhỏ (Hình 4.32) Với kết thực anten thực tế Ngoài kết mơ trình bày trên, số kết mơ thay đổi bán kính vịng (a), độ dày vịng (W), đường kính mặt phản xạ, khoảng cách xạ mặt phản xạ, khoảng cách từ tâm đến anten thực thống kê để tham khảo Thay đổi đường kính vịng anten: Các kết mơ thực với kích thước anten giữ ngun, thay đổi bán kính vịng Bảng 4.1: Thống kê kết mô anten thay đổi bán kính vịng Isolation Bán kính Độ vịng lợi (a) (dB) (mm) Độ Return loss between định (S11) VSWR ports hướng 2.44GHz (mag) (S21) (dB) (dB) 2.44GHz Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ , Eϕ (dB) (dB) Tần số cộng hưởng tốt (GHz) 18 8.49 8.79 -15.2 1.42 -21.8 290 2.53 18.5 8.46 8.74 -18.6 1.25 -20.8 290 0.8 2.48 19 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 19.5 8.43 8.67 -13.9 1.49 -20 280 4.4 2.38 20 8.43 8.66 -8.4 2.23 -21.3 260 4.9 2.33 Nhận xét: Từ kết ta thấy thay đổi bán kính vịng ảnh hưởng nhiều đến anten Khi bán kính vịng tăng độ lợi độ định hướng giảm, không ảnh hưởng nhiều đến hệ số cách ly hai ngõ vào TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 53 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Bán kính vịng thay đổi ảnh hưởng nhiều đến tần số cộng hưởng băng thông anten Tần số cộng hưởng băng thơng anten giảm bán kính vịng tăng lên Thay đổi độ dày vòng anten (W) Các kết mô thực với kích thước anten giữ nguyên, thay đổi độ dày vòng anten Bảng 4.2: Thống kê kết mơ anten thay đổi độ dày vịng anten Isolation Độ dày Độ vòng lợi (W) (dB) (mm) Độ Return loss between định (S11) VSWR ports hướng 2.44GHz (mag) (S21) (dB) (dB) 2.44GHz Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) (dB) Tần số cộng hưởng tốt (GHz) 4.5 8.38 8.65 -10 1.93 -21.2 240 4.7 2.35 8.4 8.67 -15.6 1.38 -20.5 250 4.1 2.39 5.5 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 8.46 8.73 -19.5 1.23 -20.4 310 0.8 2.46 6.5 8.52 8.77 -16.4 1.35 -20.4 320 1.5 2.5 Nhận xét: Khi thay đổi độ dày vịng ảnh hưởng nhiều đến anten Khi độ dày vịng tăng độ lợi độ định hướng tăng, băng thông, tần số cộng hưởng tăng theo Do chu vi vòng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng anten Hệ số phản xạ tỷ số sóng đứng thấp 5.5 mm Hệ số cách ly thay đổi khơng nhiều Thay đổi đường kính mặt phản xạ: Các kết mô thực với kích thước anten giữ nguyên, thay đổi đường kính mặt phản xạ TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 54 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Bảng 4.3: Thống kê kết mơ anten vịng thay đổi đường kính mặt phản xạ Đường kính Độ mặt lợi phản (dB) xạ (mm) 68 8.23 69 8.33 70 8.45 71 8.51 72 8.59 Nhận xét: Độ định hướng (dB) Return loss (S11) 2.44GHz (dB) VSWR (mag) 8.49 8.59 8.7 8.7 8.85 -23.7 -24.6 -24.5 -22.8 -24.2 1.13 1.13 1.11 1.12 1.14 Isolation between ports (S21) 2.44GHz (dB) -19.7 -20.2 -20.28 -20.7 -20.9 Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ , Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt (GHz) 285 280 285 280 270 2.5 2.6 2.3 2.7 2.8 2.44 2.44 2.44 2.43 2.42 Đường kính mặt phản xạ tăng lên độ lợi độ định hướng tăng theo Tỷ số sóng đứng, độ cách ly port, băng thơng thay đổi khơng nhiều Đường kính mặt phản xạ thay đổi ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng anten không đáng kể Thay đổi khoảng cách xạ mặt phản xạ: Các kết mô thực với kích thước anten giữ nguyên, thay đổi khoảng cách xạ mặt phản xạ Bảng 4.4: Thống kê kết mô anten thay đổi khoảng cách tấm xạ mặt phản xạ Khoảng cách xạ mặt phản xạ (mm) 9.4 10.4 11.4 12.4 13.4 Độ lợi (dB) Độ định hướng (dB) 8.35 8.35 8.45 8.35 8.35 8.64 8.64 8.7 8.64 8.64 Return loss (S11) VSWR 2.44GHz (mag) (dB) -27 -35.9 -24.5 -19.6 -16.2 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 1.1 1.04 1.11 1.23 1.35 55 Isolation between ports (S21) 2.44GHz (dB) -19.7 -19.8 -20.28 -20.9 -21.3 Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ , Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt (GHz) 270 280 285 280 270 2.3 3.1 2.3 2.4 2.1 2.44 2.44 2.44 2.4 2.4 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Nhận xét: Khoảng cách tấm xạ mặt phản xạ ảnh hưởng đến hệ số phản xạ anten Khi khoảng cách 9.4 mm 10.4 mm đạt hệ số phản xạ thấp hệ số cách ly cao băng thông thấp khoảng cách 11.4 mm nên ta chọn khoảng cách 11.4 mm Độ lợi độ định hướng anten bị ảnh hưởng không nhiều Tần số cộng hưởng anten thay đổi khoảng cách xạ mặt phản xạ thay đổi không thay đổi nhiều Thay đổi khoảng cách từ tâm đến anten vòng: Các kết mô thực với kích thước anten giữ nguyên, thay đổi khoảng cách từ tâm đến anten vòng Bảng 4.5: Thống kê kết mô anten thay đổi khoảng cách từ tâm đến anten vòng Khoảng cách từ tâm đến anten vòng Isolation Độ lợi (dB) Độ Return loss between định (S11) VSWR ports hướng 2.44GHz (mag) (S21) (dB) (dB) 2.44GHz (mm) Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) (dB) Tần số cộng hưởng tốt (GHz) 22 8.77 -14 1.4 -19 240 2.38 23 8.7 -16.1 1.36 -19.7 250 2.38 24 8.69 -18.8 1.26 -20 270 3.1 2.4 25 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 26 8.6 8.86 -23.6 1.12 -21.9 280 2.5 2.44 Nhận xét: Khoảng cách từ tâm đến anten ảnh hưởng đến hệ số cách ly anten Khi khoảng cách lớn hệ số cách ly nhỏ Độ lợi độ định hướng thay đổi không nhiều Khoảng cách từ tâm đến anten ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng Khi khoảng cách tăng tần số cộng hưởng tăng theo Khi khoảng cách 25 mm độ lệch Eθ, Eϕ nhỏ TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 56 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường  Sau mô anten thành công ta tiến hành thiết kế anten thực tế đo đạc kết 4.4 Kết mô đo đạc thực tế 4.4.1 Hình ảnh thực tế anten: Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế 4.4.2 Kết mô hệ số phản xạ đo đạc thực tế Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 57 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22 Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33 Kết so sánh hệ số phản xạ S11, S22, S33 mô đo đạc trùng Và kết đo đạc hệ số phản xạ cao có băng thơng rộng kết mô TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 58 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21 Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 59 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32 Kết đo đạc hệ số cách ly S21, S31, S32 đạt -20 dB dải tần 2-3 GHz Kết đo đạc anten chưa cải thiện băng thông anten cải thiện băng thơng cách cắt khe Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông cải thiện băng thông dải tần 100 MHz – GHz TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 60 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông cải thiện băng thông dải tần 2-3GHz Anten thiết kế mô phần mềm Ansys HFSS Các thông số tán xạ S đo đạc máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8 Các kết mô đo đạc thể qua hình cho ta anten có tần số cộng hưởng 2.44 GHz, hệ số phản xạ S11, S22 S33 khoảng – 20 dB anten đo đạc có băng thơng rộng so với anten mơ (Hình 4.34, 4.35, 4.36) Độ cách ly ngõ vào S21, S31 S32 theo mô so sánh với kết đo đạc thấp -20 dB trình bày Hình 4.37, 4.38, 4.39 Ngồi kết đo đạc so sánh hệ số phản xạ S11 anten chưa cải thiện băng thông anten cải thiện băng thơng thể Hình 4.40, 4.41 Trong băng thơng chưa cải thiện gần 270MHz sau cải thiện gần 370 MHz (tính băng thơng dựa dải tần có giá trị S11 -10 dB) Vậy kết đo đạc cho thấy băng thông cải thiện khoảng 100MHz Từ kết ta thấy kết mô thông số hệ số phản xạ S11, S22, S33 hệ số cách ly port S21, S31, S32 phù hợp với số liệu đo đạc thực tế Và anten cải thiện băng thông tốt TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 61 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 4.4.3 Kết đo đạc độ lợi anten thực tế Đo máy đo EMC Analyzer E7405: Dùng máy đo chuyên dụng EMC Analyzer E7405 phịng thí nghiệm Viễn thơng để đo độ lợi anten thực tế tần số khác Sau đo đạc cho thấy: - Độ lợi cực đại anten khoảng 8.62 dBi tần số 2.44 GHz Trong việc đo đạc độ lợi dựa chênh lệch cơng suất tín hiệu RF nhận trường hợp sử dụng antenna phát antenna lưỡng cực nửa sóng antenna vịng, cộng thêm độ lợi dB anten lưỡng cực nửa sóng Tức độ lợi anten tần số 2.44 GHz là: (46.47dBm - 39.85dBm) + 2dB = 8.62 dBi - Anten hoạt động tốt dải tần 2.34 GHz đến 2.54 GHz theo Bảng 4.5 Magnitude = -46.47 dBm Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tần số 2.44 GHz Magnitude = -39.85 dBm Hình 4.43: Đo anten vòng tần số 2.44 GHz TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 62 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ anten lưỡng cực nửa sóng anten vịng Tần số (GHz) 2.34 2.44 2.54 Cường độ anten lưỡng cực nửa sóng (dBm) -47.93 -46.47 -50.54 Cường độ anten vòng (dBm) -41.68 -39.85 -44.17 8.25 8.62 8.37 Độ lợi (dBi) Kết đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN thu anten vịng tốt so với trường hợp sử dụng anten lưỡng cực nửa sóng độ lợi dBi Như vậy, kết luận anten thiết kế có độ lợi đạt yêu cầu đặt Đo phần mềm Netstumbler Để kiểm nghiệm thực tế độ lợi, anten vòng gắn vào access point WLAN dải tần 2.4 GHz, chuẩn N có tính MIMO 3x3 (với anten xạ tồn hướng độ lợi dBi) Hình 4.44 Phần mềm Netstumbler cài đặt máy tính xách tay sử dụng đo đạc Kết đo đạc cường độ trung bình tín hiệu RF thu môi trường trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) anten tồn hướng anten vịng –57 dBm – 54 dBm (Hình 4.45), mơi truyền có che chắn NLOS (NonLine-Of-Sight) anten vịng anten toàn hướng –68 dBm –71 dBm (Hình 4.46) Kết đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN thu anten vòng tốt so với trường hợp sử dụng anten tồn hướng độ lợi dBi Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với anten toàn hướng TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 63 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Anten toàn hướng Anten vịng Hình 4.45: Kết đo cường độ tín hiệu WLAN mơi trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) Anten vịng Anten tồn hướng Hình 4.46: Kết đo cường độ tín hiệu WLAN mơi trường truyền có che chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight) TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 64 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Chương 5: KẾT LUẬN  Kết luận  Anten phân cực kép thiết kế mạch in FR-4 Anten làm vật liệu mạch in FR-4 cho xạ, nhôm cho mặt phản xạ Với việc xoay điểm dẫn nạp 45o nhằm tạo phân cực kép cho anten cắt khe vòng để cải thiện băng thông độ lệch trường Eθ, Eϕ Kích thước anten: đường kính mặt phản xạ nhơm 140 mm, đường kính chất 128 mm, khoảng cách mặt phản xạ 11.4 mm Đường kính vịng lớn anten 38 mm, độ dày vịng 5.5 mm Kết mơ anten phù hợp tốt với kết đo đạc thực tế  Tóm lại, kết nghiên cứu mô kiểm chứng thực tế máy đo chuyên dụng chứng tỏ anten thiết kế thành công Một anten phân cực kép thiết kế cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz Kết độ lợi, tần số cộng hưởng, hệ số phản xạ, độ cách ly ngõ vào thu mô sử dụng phần mềm Ansys HFSS phù hợp với kết đo đạc thực tế Băng thông cải thiện 100MHz tốt TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A.Balanis Antenna Theory Analysis and Design, 2rd ed, John Wiley & Sons, Inc, 2005 [2] Marwa Shakeeb Circularly Polarized Microstrip Antenna, Concordia University Montreal, Quebec, Canada, December 2010 [3] Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee “Low-Cost Dual-Loop-Antenna System for Dual-WLAN-Band Access Points,” Ieee Transactions on Antennas and Propagation, Vol 59, No 5, May 2011 [4] Y X Guo and K M Luk “Dual-polarized dielectric resonator an-tennas,” IEEE Trans Antennas Propag., Vol 51, pp 1120–1124, May 2003 [5] F S Chang, H T Chen, K C Chao, and K L Wong “Dual-polarized probe-fed patch antenna with highly decoupled ports for WLAN base station,” in IEEE Antennas Propag Soc Int Symp Dig., Monterey, CA, pp 101–109, 2004 [6] C Liu, J.-L Guo, Y.-H Huang, and L.-Y Zhou “A novel dual-polarized antenna with highbisolation and low cross polarization for wireless communication,” Progress In Electromagnetics Research Letter, Vol 32, pp.129-136, 2012 [7] S.-W Su “Printed loop antenna integrated into a compact, outdoor Wlan access point with dual-polarized radiation,” Progress In Electromagnetics Research C, Vol 19, pp.25-35, 2011 ... f0 f (2. 36) c Anten dải tần rộng: 1.5  f max 4 f (2. 37) d Anten dải tần siêu rộng: f max 4 f (2. 38) Trong đó: f  f max  f Hình 2. 10: Độ rộng băng thông 2. 6 Các hệ thống anten Anten thông. .. ) (2. 1a)  reff  r 1  r 1  12h  1    W   (2. 1b) Các phương trình Maxwell dạng vi phân viết dạng:  rotH  i p E  J e (2. 2a) rotE  iH (2. 2b) e divE   (2. 2c) divH  (2. 2d)... tần số 2. 44 GHz Bên cạnh đó, hạn chế anten vi dải băng thông hẹp nên đề tài cải thiện băng thông để anten sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng Kết mơ máy tính (các thơng số tán xạ S11, S 22, S33, S21,