Báo Cáo Giữa Kỳ Môn Kỹ Thuật Anten Đề Tài Thiết Kế Mô Phỏng Anten Yagi Ứng Dụng Trong Mạng Wlan.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI- Khoa Điện tử Viễn thông

BÁO CÁO GIỮA KỲ MÔN KỸ THUẬT ANTEN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI ỨNG DỤNG

TRONG MẠNG WLAN

Hà Nội, ngày 26 tháng 6 năm 2023

Giảng viên hướng dẫn: Trần Cao Quyền

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Ngoan - 20021560 Nguyễn Minh Tuấn- 20021595 Nguyễn Mạnh Linh - 20021547

Lời m u ở đầ ……… 1

Chương 1: Tổng quan về anten ………2

1.1 Giới thiệu chung về anten ……… 2

1.1.1 Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến………2

1.2.2 Các tham s cố ơ bản c a anten Yagi ủ ………12

Chương 2: Thiết k anten Yagiế ……… 16

1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, nhu cầu sử dụng thông tin không dây đang phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các lĩnh vực, bao gồm thông tin di động, truy cập internet không dây, y tế, và môi trường Mọi thiết bị không dây cần phải trang bị anten để có thể thu và phát tín hiệu Vì thế, anten là một phần quan trọng không thể thiếu trong các thiết bị truyền thông không dây Đặc biệt, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kết nối không dây hiện nay, anten đã trải qua sự thay đổi linh hoạt về chất lượng, cấu trúc, và kích thước để đáp ứng tốt nhất nhu cầu của người sử dụng.

Trong thời gian gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, đã xuất hiện nhiều loại anten mới được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về băng thông trong các hệ thống truyền thông Trong phạm vi dự án này, cùng với việc nghiên cứu về lý thuyết kỹ thuật của anten, chúng tôi sẽ tiến xa hơn bằng việc tìm hiểu về anten Yagi và cách chúng được ứng dụng trong mạng WLAN Chúng em sẽ tiến hành thiết kế và mô phỏng anten Yagi hoạt động ở tần số 2.4GHz, sử dụng các thông số kỹ thuật phù hợp thông qua phần mềm mô phỏng HFSS

Báo cáo này bao gồm 3 chương chính: Chương 1 Tổng quan về anten, - Chương 2 Thiết kế anten Yagi-

Chương 3 Thực hiện mô phỏng và ứng dụng anten Yagi trong mạng WLAN.-

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN

1.1.Giới thiệu chung về anten

Anten là các thiết bị cho phép truyền và nhận năng lượng điện tử Chúng có thể được coi là công cụ dùng để truyền năng lượng điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần sử dụng bất kỳ phương tiện truyền dẫn trung gian nào, như cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang.

Trong nhiều tình huống, anten có thể cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác để truyền và chuyển tải năng lượng điện từ Thông thường, sự suy hao của trường điện từ trong các vật liệu tăng nhanh theo tần số Điều này ngụ ý rằng, khi tần số tăng, việc sử dụng các phương tiện dẫn sóng thông qua vật liệu sẽ trở nên kém hiệu quả trong việc truyền tải năng lượng điện từ (điều này cũng áp dụng cho hiệu suất của anten, nó sẽ tăng theo tần số) Vì vậy, anten thường được ưa chuộng hơn trong việc truyền tải trường điện từ ở tần số cao

Sóng điện từ, là nền tảng của lý thuyết anten, dựa trên các phương trình cơ bản của điện học và từ học James Clerk Maxwell đã tổng hợp toàn bộ lý thuyết này thành một hệ phương trình quan trọng và nổi tiếng, gọi là hệ phương trình Maxwell

1.1.1 Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến

Việc truyền năng lượng điện từ không gian có thể thực hiện bằng hai phương pháp khác nhau Một trong hai phương pháp đó là sử dụng các hệ thống truyền dẫn, chẳng hạn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, và nhiều hệ thống khác, để chuyển sóng điện từ trực tiếp dưới dạng dòng điện trên đường truyền Sóng điện từ trong hệ thống này thuộc loại hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến), và mặc dù phương pháp này đạt được độ chính xác cao, nhưng lại đòi hỏi chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền

Hơn nữa, khi phải truyền sóng điện từ trên khoảng cách xa hoặc trong điều kiện địa hình phức tạp mà không thể xây dựng đường truyền hữu tuyến, phương pháp truyền này sẽ được thay thế bằng cách phát sóng điện từ vào môi trường tự do Sóng sẽ được truyền dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu sóng Để thực hiện điều này, cần phải có một thiết bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như một thiết bị thu sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Loại thiết bị này được gọi là

3

anten

Anten đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào Vì khi sử dụng sóng điện từ trong hệ thống vô tuyến, không thể không sử dụng thiết bị để phát sóng hoặc thu sóng điện từ (thiết bị anten) Anten là một cấu trúc được làm từ các vật liệu dẫn điện tốt, được thiết kế với hình dạng và kích thước cụ thể để có thể phát sóng sóng điện từ một cách hiệu quả theo một kiểu nhất định

1.1.2 Các loại anten

Trong thực tế ta thường gặp một số loại anten như: Anten dây (thanh) anten khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, và hệ thống bức xạ

Hình 1.1 Các loại Anten[1]

4

Hình 1.2 Hệ thống bức xạ [1]

1.1.3 Những yêu cầu cơ bản của Anten

Các yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi mục tiêu sử dụng của thiết bị không dây, ví dụ, anten của các đài truyền thanh và truyền hình phải phát sóng đều theo mọi hướng trên mặt đất Trong khi đó, anten trong radar cần phát sóng trong một góc hẹp để tập trung tín hiệu về phía đài Anten cũng cần có khả năng xác định hướng và lọc tín hiệu theo hướng của anten để chống nhiễu hiệu quả

Anten cũng phải phối hợp với trở kháng để đảm bảo tối đa hóa cả sự phát sóng và thu sóng Vì vậy, có thể xem anten như một thiết bị kết hợp giữa fide (nguồn tín hiệu) và không gian tự do

Dải tần là một yếu tố quan trọng, vì nó quyết định dải tần số mà anten có thể hoạt động mà không bị nhiễu Để chống nhiễu, thường sử dụng việc thay đổi tần số hoặc làm cho các đài liên lạc sóng ngắn phải hoạt động ở các dải tần số khác nhau vào ban ngày và ban đêm mà không làm thay đổi chất lượng quá nhiều

Tính phân cực của anten cũng cần điều chỉnh tùy theo yêu cầu cụ thể Ví dụ, nếu anten phải đặt trên một vật thể bay và phát sóng trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian), thì anten thu cần phải có phân cực tròn

5

hoặc elip (đường tròn hoặc elip cho đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động) Ngoài ra, để đảm bảo tín hiệu được phản xạ từ các miền không đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao, đặc trưng hướng của anten cần phải thay đổi theo một lịch trình cụ thể

Để đánh giá hiệu suất của anten và đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, chúng ta thường sử dụng các chỉ số kỹ thuật cơ bản như đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, và trở kháng vào

Về quá trình bức xạ sóng điện từ, mọi hệ thống điện từ có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên sẽ bức xạ sóng điện từ, nhưng điều này xảy ra chỉ trong các điều kiện cụ thể Ví dụ, nếu một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, thì sự bức xạ của nó bị giới hạn trong không gian của nó và không bức xạ ra ngoài Tuy nhiên, khi kích thước của mạch tăng lên, dòng điện dịch chuyển có thể lan tỏa ra ngoài và tạo ra một điện trường biến thiên trong không gian xung quanh

Hình 1.3 Ví dụ về mạch dao động thông số tập trung [1]

Phân loại anten dựa trên dải tần công tác:

Anten là một phần quan trọng trong hệ thống truyền thông và liên quan đến việc truyền và nhận sóng điện từ Một số tình huống đòi hỏi anten không chỉ hoạt động ở một tần số cụ thể, mà còn phải có khả năng hoạt động ở nhiều tần số khác nhau Với mỗi tần số khác nhau, anten phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật riêng biệt về hướng sóng, trở kháng, dải thông tần, và nhiều yếu tố khác

6

Dải tần số mà anten có khả năng hoạt động ở đó, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể, được gọi là "dải tần công tác" của anten Giá trị của các chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau tùy thuộc vào loại anten cụ thể Ví dụ, đối với anten chấn tử không đối xứng được đặt thẳng đứng và sử dụng trong dải sóng dài và trung thì yêu cầu là hiệu suất của anten trong dải tần số công tác không được thấp hơn một ngưỡng cố định Anten phải có khả năng phát ra công suất đã cho và đảm bảo dải thông tần cần thiết Trong trường hợp trở kháng vào, không cần yêu cầu một giá trị cố định, mà có thể điều chỉnh để phối hợp với tần số công tác

Ngược lại, anten chấn tử đối xứng nằm ngang, được sử dụng trong dải sóng ngắn, phải đảm bảo rằng đặc tính phương hướng không thay đổi khi tần số công tác thay đổi, để đảm bảo hướng sóng luôn cố định Trở kháng vào chỉ có thể thay đổi trong một phạm vi cho phép để dễ dàng thay đổi tần số công tác mà không cần điều chỉnh lại mạch phối hợp trở kháng của anten

Dựa trên dải tần công tác, anten có thể được phân loại thành bốn nhóm chính: 1 Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn)

2 Anten dải tần tương đối rộng 3 Anten dải tần rộng

4 Anten dải tần siêu rộng

Hệ số bao trùm dải sóng là tỷ số giữa tần số cực đại và tần số cực tiểu của dải tần công tác của anten

1.1.4 Các thông số kỹ thuật

Để lựa chọn một anten phù hợp với các yêu cầu như tốc độ, tính năng đa dạng và vùng phủ sóng rộng, chúng ta cần xem xét cẩn thận các thông số kỹ thuật của anten Một anten với các thông số kỹ thuật phù hợp sẽ tạo ra một môi trường làm việc "rộng lớn" hơn Các thông số này bao gồm:

a Hướng tính của anten:

Hướng tính của anten mô tả mức độ tập trung của tín hiệu phát ra theo một hướng cụ thể, tương ứng với cường độ trung bình của tín hiệu đó Nó cho biết mức độ công suất của tín hiệu phát ra theo một hướng cụ thể, hay nói cách khác, nó thể hiện mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ tổng thể được phân tán một cách đồng đều

7

b Độ lợi:

Độ lợi cũng mô tả mức độ tập trung của tín hiệu, nhưng bao gồm cả sự mất mát (về công suất) của anten chính Độ lợi có thể được định nghĩa là độ bức xạ hiệu dụng được sử dụng để mở rộng tín hiệu, và một anten hoàn hảo sẽ có độ bức xạ hiệu dụng bằng 1 Độ lợi là thuật ngữ để chỉ sự tăng biên độ của tín hiệu vô tuyến, được đo bằng decibel (dB) Để chỉ độ lợi của anten đẳng hướng, sử dụng đơn vị dBd, và để chỉ độ lợi của anten dipole nửa bước sóng, sử dụng đơn vị dBi Độ lợi G của anten thể hiện tỷ lệ giữa công suất bức xạ U ở một hướng cụ thể và công suất bức xạ tổng cung cấp cho anten, nếu nó được phát ra theo hướng đẳng hướng

Chúng ta có thể diễn đạt lại đoạn trên như sau:

c Hiện tượng Phân cực

Phân cực của sóng là hiện tượng xuất hiện khi ta quan sát đầu mút của vectơ trường sóng theo chiều truyền sóng Phân cực của anten có thể được phân thành ba loại chính: phân cực tuyến tính, tròn hoặc ellip Sóng vô tuyến thường bao gồm hai thành phần: điện trường và từ trường, mỗi thành phần nằm trên mặt phẳng vuông góc với nhau Tổng hợp của hai thành phần này được gọi là trường điện từ Mặt phẳng song song với phần anten được gọi là E plane, và mặt phẳng vuông góc với phần anten được -gọi là H plane Điều quan trọng chúng ta quan tâm chủ yếu đối với điện trường, vì vị trí -và hướng của nó đối với mặt đất sẽ xác định phân cực của sóng Phân cực có thể là ngang hoặc dọc, tùy thuộc vào việc điện trường có vuông góc với mặt đất hay song song với nó Phân cực dọc thường được sử dụng trong mạng Wi-Fi (WLAN) vì nó vuông góc với mặt đất Phân cực ngang là khi nó song song với mặt đất

d Độ Rộng Băng Tần

8

Độ rộng băng tần là khoảng tần số trong đó anten hoạt động ổn định, với các đặc tính như trở kháng ngõ vào, đồ thị bức xạ, độ rộng chùm tia, độ phân cực, bức xạ phụ, độ lợi, độ hướng tính, hiệu suất bức xạ phải đáp ứng được Băng thông có thể bao gồm trở kháng theo tần số và đồ thị băng tần Độ rộng băng tần FBW (Fractional Bandwidth) của anten rộng thường được miêu tả bằng tỉ lệ giữa tần số trên và tần số dưới trong khoảng mà anten hoạt động ổn định

Với anten băng hẹp, FBW được diễn tả là tỉ lệ phần trăm của hiệu tần số băng thông với tần số trung tâm:

Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ

BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng của anten nằm trong một giới hạn cho trước

(2)

Trong đó: Q là hệ số phẩm chất

Với VSWR được xác định bởi hệ số phản xạ Γ:

9

(2)

e Trở kháng

Sự bức xạ hiệu dụng của một anten là “tỷ số của tổng công suất phát ra bởi anten so với công suất từ trạm phát (nối với anten) được chấp nhận bởi anten” Anten bức xạ một số công suất ở dạng năng lượng điện từ Tất cả các thiết bị RF, đường truyền (cáp), anten đều có trở kháng, chính là tỷ số giữa điện áp và dòng điện Khi anten được kết nối với một đoạn cáp, nếu trở kháng đầu vào của anten trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền thì tổng công suất được truyền từ radio đến anten là tối đa Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một số năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được truyền đi đến anten

f Tỉ số sóng đứng điện áp

VSWR xuất hiện khi trở kháng không tương thích giữa các thiết bị trong hệ thống RF VSWR được gây ra bởi một bộ tín hiệu RF bị phản xạ tại điểm trở kháng không tương thích trên đường truyền tín hiệu Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ bằng một Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽ càng nhiều Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyền, trong trường hợp tồi tệ nhất, nó có thể bắn ra tia lửa điện Tuy nhiên, tình huống này sẽ không xảy ra nếu bạn sử dụng công suất thấp khi triển khai mạng WLAN Phương thức thay đổi VSWR bao gồm việc sử dụng thiết bị thích hợp, kết nối chắc chắn giữa cáp và đầu nối, sử dụng trở kháng tương thích giữa các thiết bị phần cứng và sử dụng các thiết bị chất lượng cao là các phương thức tốt chống lại VSWR Tỷ số này thường là 1,5:1

g Búp sóng

Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra Búp sóng dọc được đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao

28

Vẽ khối hộp :

Draw =>box => chọn vật liệu là air; Thông số cho không gian bức xạ:

Hình 2.16 Thiết lập thông số không gian bức xạ

Sau khi vẽ được không gian bức xạ:

Chuột phải vào khung =>Select Face=> chọn 6 mặt khối không gian bức xạ Kích phải khối=>Assign Boundary =>Radiotion.Giới hạn vùng bức xạ: Chọn HFSS =>Radiation =>insertFar Field Setup =>infinite Sphere

Trong tab Infinite Sphere giống như bảng:

29

Hình 2.17 Giới hạn không gian bức xạ

Hình 2.18 Không gian bức xạ

Thiết lập tần số hoạt động cho anten

Chọn HFSS => Analys Setup => chọn Add Solution Setup => xuất hiện 1 bảng: Ta điều chỉnh các thông số như hình vẽ:

30

Hình 2.19 : thiết lập tần số hoạt động cho anten

Sau đó ta tiếp tục chọn:

Chọn HFSS => Analys Setup =>Add Frequency Sweep Xuất hiện 1 bảng=> ta lựa chọn các thông số tương

31

Hình 2.21 Kết quả thiết kế

32

CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA ANTEN

YAGI TRONG MẠNG WLAN

3.1 K t qu mô ph ng ế ả ỏ

Sau khi thiết lập các thông số cần thiết và cho chạy trong phần mềm HFSS thu được các kết quả sau:

Cấu trúc 3 chiều của anten được thực hiện để mô phỏng:

Hình 3.1 Cửa sổ chương trình mô phỏng

Đồ thị của thông số độ lợi anten: