Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu hướng thiết kế Anten vi dải cho hệ thống Wifi

Băng việc sử dụng các công cụ ADS, CST, với phương pháp phân tíchtoàn sóng các cấu trúc hình học cơ bản và đưa ra phương pháp chia anten thành cácthành phần hình học với hệ số phản xạ, t

NGUYEN VAN DƯƠNG

NGHIEN CUU HUONG THIET KE ANTEN VI DAI CHO

HE THONG WIFI

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tu.

Mã số: 60 52 70

TP HO CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : TS.PHAN HONG PHƯƠNG

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)

TS.Phan Hồng PhươngCán bộ chấm nhận Xét Ì : c2 + 6E E+E#E SE SE EsESEEESESEEsErkeereree

(Ghi rõ ho, tên, học ham, học vi va chữ ký)

Cán bộ chấm nhận Xét 2 : -¿- - + E612 EESE SE EsESEEESESEEsErkekreree

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

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 (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ii

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ tên học viên: NGUYÊN VĂN DƯƠNG MSHV: 11140007

Ngày, thang, năm sinh: 09/05/1985 Noi sinh: Hai Duong

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số : 60 52 70I TÊN DE TÀI:NGUYÊN CUU HƯỚNG THIẾT KE ANTEN VI DAICHO HE THONG WIFI

H NHIỆM VU VA NỘI DUNG: oiieccccccccccccccscscscsescscscscsescscscssssscssssssecsssssssseseseseaees

HI NGÀY GIAO NHIỆM VU : (Ghi theo trong QD giao dé ti) occIV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: (Theo trong QD giao dé tai) V CÁN BỘ HƯỚNG DAN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

Tp HCM, ngày tháng năm 2013CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

ili

Bang tat cả tam lòng em gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cô Phan Hồng Phuong,và thây Hoàng Mạnh Hà Cô đã luôn bên cạnh hướng dẫn cũng như hỗ trợ em rấtnhiều trong học tập từ Đại học lên tới Cao học, với sự dẫn dat định hướng luận vănvà cách làm việc khoa học để em có thể hoàn thành luận văn và chương trình học

cao học ở trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM.

Em cảm ơn thầy cô trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt cho chúng emnhững kiến thức nên tang dé làm việc và thực hiện đề tài này

Cuối cùng con gửi tới cha mẹ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đã luôn ủng hộ vàđộng viên con trong cuộc sống

Tôi cảm ơn những người bạn đã cùng tôi học tập và trao đối những kinh nghiệmtrong cuộc sống cũng như trong học tập dé góp phan hoàn thành tốt luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2013

Học viên

Nguyễn Văn Dương

IV

Trong hệ thống Wifi, một trong những thành phan được nghiên cứu phố biến làanten, đặc biệt la dạng anten Planar Wifi Các yếu tố hình học được đưa vao dé tácđộng đến các đặc tính bức xạ, hiệu suất, độ lợi nhăm thỏa mãn các yeu cầu của hệthống Wifi Băng việc sử dụng các công cụ ADS, CST, với phương pháp phân tíchtoàn sóng các cấu trúc hình học cơ bản và đưa ra phương pháp chia anten thành cácthành phần hình học với hệ số phản xạ, trở kháng (phần thực và phân ảo) tương ứngđể phân tích với sự hỗ trợ của MATLAB, khảo sát các hình dạng cơ bản, hình chữ

nhật, chữ T, hình xuyến, để tạo thành các tần số cộng hưởng mong muốn với hiệu

suất bức xạ thỏa yêu cầu hệ thông Wifi, dé xuất phương pháp xác định mach cộnghưởng tại tần số cộng hưởng mong muốn Từ các khảo sát trên, dé tài sẽ đi vào phântích đưa ra kết luận xây dựng mạch tương đương tổng quát RLC cho các thành phầnhình học và ứng dụng thiết kế các cấu trúc anten Wifi với tần số trung tâm là2 AGhz và 5Ghz với các yêu câu thỏa mãn hệ thống Wifi

In Wifi systems, anten is an important part that many researchers regarded Thegeometrical elements affect anten radiation characteristics to make it satisfy theWifi standards By using ADS and CST tool, with parameterization method, full-wave analysis of basic anten structures The thesis is a study of resonancecharacteristics of factors as impact resistance, reflectivity, gain and efficiency ofPlanar Wifi anten, the author promote a resonace calculator method and split antenmethod to studying easily with support of Matlab Studying the effect of basicgeometrical forms such as T shapes, circle shapes to create resonance frequencywhich required From that researches, the The impact of arc patches on antens ismodeled in an RLC equivalent circuit, and use to design anten Wifi structure with2.4Ghz, 5Ghz frequency center which satisfy the Wifi standards.

Vi

Tôi cam đoan các kết qua dé tài thực hiện chưa từng công bố trong bat kỳ công trình

khoa học trước đây.

Người cam đoan

Nguyễn Văn Dương

Vil

Iir 1Ä: aađầầiầđáđắáaiiiaaÝ:ddtdỎdẦẢẢẦẢỐỐ |Trang phụ G cọ re il

LOI CAM ON 0 4 - IV

Tóm tắt luận Văn - - - - s11 12191919191 1 5 111191 110 5111110111 11101211 ng ng ru V

U00 a2 vị

Danh sách hình vẽ & bảng biỂu - 5-55-5525 E2E2E2EEEE£E£ESEEEEEEEEEEEEEEErkrree 1XDanh sách các từ viẾt tắt c2 r2 Hee xiiiNHIỆM VU LUẬN VĂN THAC SĨ - 6-5 trên iii

@.))8:.908:00/9) 600900577 -a iiiCHU NHIEM BO MON DAO TẠO s22 t2 2221121122121 re iii

TRUONG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ” -c 5c cv tr Hee Hi

CHUONG 1 DAT VAN DE 50088 - 2

1.1 Động lực thực hiện để tài 5: E522 1 E521 3215111 212121111 2117101111110 11 y0 21.2 Mục tiêu đề tài tt nh He 3

13 Các công trình thiết kế anten Wifi trước đây va đưa ra hướng tiếp cận 3

1.4 Đối tượng nghiên Cứu . - 5-5252 2E511 212151111 212111111111710111 111011110111 re 7

1.5 Ứng dụng anten Wifi trong hệ thống không dây . 2 e< s s-seesseseseesesesesse 10

1.6 Bố cục luận văn - co Sn 11010 1111111111111 115111111 1151111111111111111 1111111111115 111111 1101 11 1t II

CHƯƠNG 2 ANTEN WIEI - 2c 2222122125121 121 11111151 1511151 1112111181101 01101 g1 Hài 12

2.1 Khai quát công nghệ WIÍI HS HH HT ng TH ng ng kg 12

2.2 Sơ lược các chuẩn trong hệ thống Wifi và các mốc thời gian . - 5s: 12

e TEEE 802.11 LAN 0S 13“005 1 AAAAAA 13@ TREE 802.1 1a eee 1 14@ TREE 802.11 8 ieee - A 14@ TREE 802.1 Un ee cccccccccsseesneceseceeeceseeesseceseeeeseceseeesseceseeeesesesseseseseeeseeeeeeeenes 15

2.3 Tan số hoạt động [5] o.ccccccccscsccccescscscscsscscscscscsvscevsscecscscsvsvsvsvsesssscsvscsvavsssesesanscsveees 16

3.2 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải ( feed method ) [6] - 52 5552 203.2.1 Cấp nguồn bang đường truyén Vi đải ¿5-52 S2E2EEE 2E SE EE2xEerrrkrkrre 213.2.2 Cấp nguồn băng Probe đồng frỤc - + 2 + 2 SE+E+E£EE£E2ESEEEEEEEEeErrkrree 213.2.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gan - Proximity coupled 223.2.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture Coupled 23

3.3 Các mô hình phân tích anten vi dat [6] - - 555 23221111133 32225E3555Exxxxxes 23

3.3.1 Mô hình đường truyén (Transmission line ) 25 +52 z2s+£+zz£czxzeczee 24

950019) ‹‹ :-11 28KHẢO SAT ANH HUONG CÁC THÀNH PHAN HINH HỌC ANH HUONG DEN ĐẶCTINH CUA ANTEN PLANAR WIPI ccccccscssssesscssssescsscscsscsesesesessesnseesesesssesseesssese 28

4.1 Khảo sát các loại anten WIÍT - - 2c CT1 1111111111111 3n 1n TT 28A.1.1 Loat anten dipole oo a 284.1.2 Loại anten patch hình chữ nhật - 2-52 E233*2235355Exxxx2 32

4.1.3 Khảo sát thành phan cộng hưởng khi thêm 1 phan tử hình học vào anten 33

4.2 Cách thức phân tích mạch tương đương đưa ra phương hướng thiết kế anten planar

"1 42

4.2.1 Mô hình thiết ké đưa ra :- 2-55: 5t2StEx 222 2E t2 tri 42

4.2.3 Dé xuất phương pháp tính tần số cộng hưởng . - 52 2+2+£+££zxzc+2 444.2.4 Dé xuất phương pháp phân tích anten - + 25 2 S22E2E+E££zzEzEzzcczzxez 444.3 Các bước thiết kế anten vi dai cho hệ thống wifi 5-5222 SErererererrred 454.3.1 Thiết kế anten có tần số cộng hưởng đơn [7] _ -¿ - 2 5 +s£++s+£+£e£zxzcez 454.3.2 Ảnh hưởng các thông số khớp nói cho patch cộng hưởng phụ - 484.3.3 Tính toán các thông số cho patch cộng hưởng phụ 2-5-5 25222522 50CHƯƠNG 5 THIẾT KE ANTEN PLANAR WIFI - 552552 2cxscxtsrxesrterrvsrrerrred 515.1 Các bước thiết kế anten: 0 ccc ceccccccsecsescscsscsescsesscsescsusscsescsecsesesesscscanseesesssvees 515.2 Thiết kế anten Wifi hình chữ nhật với tần số cộng hưởng 2.4Ghz và 5Ghz 515.3 Thiết kế anten vi dai dipole cho tan số wifi tại 2.4Ghz và 5Ghz 60CHƯƠNG 6 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, - ¿55c 25tt 22tr 69

OL K@t 8n nh 69

1X

Hình 1.3.1 Các thiết bi phố biến sử dung anten wifi.Hình 1.3.2 Sử dụng wifi phủ sóng toan thành phố.Hình 3.1.1:Anten vi dai trong thiết kế.

Hình 3.1.2 Các tần số cộng hưởng của Patch hình chữ E

Hình 3.1.3 Mô hình tương đương của anten.

Hình 3.1.4 Đồ thị S11, mô phỏng và đo đạc.Hình 3.1.5 Đồ thị S¡¡, kết quả đo đạc anten va mạch tương đương.Hình 3.1.6 Đồ thị bức xạ tại các tần số 2.4 GHz và 3.5 GHz

Hình 3.1.7 Printed Dipole Anten.Hình 3.1.8 Thêm vào anten một patch cộng hưởng ky sinh.Hình 3.1.9 Thêm vào anten hai patch cộng hưởng ký sinh.

Hình 3.1.10 Lưu đô thực hiện.Hình 3.2.1.1: Phân tử điện cảm.Hình 3.2.1.2: Phần tử điện dung.Hình 3.2.1.3: Phần tử điện trở

Hình 3.2.1.4: Mạch cộng hưởng.

Hình 3.2.2.1 : Sơ đồ thực hiện ADS

Hình 3.3.1: Anten vi dai.Hinh 3.3.2: Cac dang anten vi dai thong dung.

Hình 3.4.1 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải.Hình 3.4.2: Cấp nguồn bang Coaxial Probe.Hình 3.4.2.1: Cấp nguồn theo phương pháp ghép gan.Hình 3.4.4: Cấp nguồn bang phương pháp ghép khe.Hình 3.5.1.1 Hang số điện môi hiệu dụng

Hình 3.5.1.2 Chiều dài vật lý và chiều dai hiệu dụng của patch

Hình 4.1.1.1 (a) Hình dạng anten với patch là đường vi dải.

Hình 4.1.1.1 (b) Hệ số S11 của anten hình 4.1.1 (a)

XI

Hình 4.1.1.3 Sơ đỗ khói và sơ đỗ mạch tương đương anten tại tần số 5Ghz.Hình 4.1.1.5 (a) Đồ thị S11 của anten vàaạch tương đương.

Hình 4.1.1.5 (b) Đồ thị trở kháng phần thực và phần ảo của anten vi dải.Hình 4.1.1.5 (c) Đồ thị trở kháng phan thực va phan ảo của mạch tương đương

Hình 4.1.2.1 (a) Mặt trước anten hình chữ nhật 5Ghz.Hình 4.1.2.1 (b) Mat sau của anten hình chữ nhật 5Ghz

Hình 4.1.2.2 (a) Đồ thị độ lợi và đỗ thị S11 của anten hình 4.1.2.1.Hình 4.1.2.3 (a) Đồ thị bức xạ và độ lợi của anten hình 4.1.2.1.Hình 4.1.3.1 Anten với patch cộng hưởng ở tan số thứ 2.Hình 4.1.3.2 Hệ số $11 khi thêm patch cộng hưởng thứ 2.Hình 4.1.3.3 Hiệu suất bức xạ khi thêm patch cộng hưởng thứ 2.Hình 4.1.3.4 Tổng trở Z(real, Img) khi thêm patch cộng hưởng thứ 2

Hình 4.1.3.5 Anten hình Hình 4.1.2.1 khi thêm vào 2 patch.

Hình 4.1.3.6 Hệ số S11 khi thêm vào 2 patch.Hình 4.1.3.7 Anten vi dải với patch hình chữ L đối xứng.Hình 4.1.3.8 Hệ số S11 của anten vi dai hình 4.1.3.7.Hình 4.1.3.9 Độ lợi bức xạ và độ lợi tong cua anten vi dai hinh 4.1.3.7.Hình 4.1.3.10 Anten vi dai với patch hình chữ L đối xứng không có mass.Hình 4.1.3.11 Anten vi dai với patch hình chữ L đối xứng không có mass.Hình 4.1.3.12 Đồ thị S11 anten vi dai hình 4.1.3.10

Hình 4.1.3.13 Anten với patch vi dải hình chữ T có mass.

Hình 4.2.1.1 Mô hình thiết kế anten.Hình 4.2.2.1 Y tưởng thiết kế tan số bức xa.Hình 4.2.2.2D6 thị S11 mô hình tham khảo.Hình 4.2.3.1 Phương pháp tính tần số cộng hưởng.Hình 4.2.4.1 Sơ đỗ phân tích anten

Hình 4.2.4.2 Loại mạch 2 cửa.Hình 4.3.1.1 Anten hình chữ nhật va mạch tương đương.

XI

Hình 4.3.2.3 (a), (b), đường vi dải chữ T và sơ đồ tương đương.

Hình 5.2.3(a) Độ lợi anten patch hình chữ nhật 5Ghz.

Hình 5.2.3(b) Đồ thị bức xạ anten patch hình chữ nhật 5Ghz.Hình 5.2.3(c) Đồ thị trường xa tại tần số bức xạ 5Ghz

Hình 5.2.4 Sơ đồ khối tương đương anten patch hình chữ nhật 5Ghz.Hình 5.2.5 Đồ thị S11 của anten patch hình chữ nhật 5Ghz

Hình 5.2.6 (a) Hình dạng anten patch hình chữ nhật 5Ghz với 2 patch nối.Hình 5.2.6 (b) Hình dang $11 anten patch hình chữ nhật 5Ghz với 2 patch nói.Hình 5.2.7 Sơ dé khối anten tham khảo với 2 tần số 2.4Ghz và 5Ghz

Hình 5.2.8 Đồ thị S11 của anten tham khảo với 2 tan số 2.4Ghz và 5Ghz.Hình 5.2.9 Đồ thị Z của anten tham khảo với tần số 2.4Ghz

Hình 5.2.10 Tính giá trị RLC của anten tham khảo với tần số 2.4Ghz.Hình 5.2.11 Mạch tương đương của anten với tần số 2.4Ghz và 5Ghz.Hình 5.2.12 Tính đường truyền vi dai cho tần số 5Ghz

Hình 5.2.13 (a) Anten vi dải với 2 dải tần 2.4Ghz và 5Ghz dự kiến.Hình 5.2.13 (b) Đồ thị S11 Anten vi dải ở hình 5.2.13 (a)

Hình 5.2.14 (a) Anten vi dải với 2 tần số cộng hưởng 2.4Ghz và 5Ghz.Hình 5.2.14 (b) Đồ thị S11 của Anten vi dai ở Hình 5.2.14 (a)

Hinh 5.2.15 (a) Đồ thi độ loi bức xạ của anten hình 5.2.14 (a).Hình 5.2.15 (b) Đồ thị độ lợi tổng của anten hình 5.2.14 (a).Hình 5.3.1 (a) Mặt trước Anten vi dải 5Ghz với patch là đường truyền vi dải.Hình 5.3.1 (b) Mặt sau Anten vi dải 5Ghz với patch là đường truyền vi dải.Hình 5.3.2 Đồ thị S11 Anten vi dai 5Ghz với patch là đường truyền vi dải.Hình 5.3.3 (a) Đồ thị hiệu suất bức xa của anten hình 5.3.1 (a)

Hình 5.3.3 (b) Đồ thị bức xạ của anten hình 5.3.1 (a).Hình 5.3.4 Tính giá tri RLC tại tần số 2.4Ghz

Hình 5.3.5 Sơ đồ tương đương anten với đường truyền vi dải

XI

Hình 5.3.7 (b) Đồ thị bức xạ S11 của anten sử dụng đường truyền vi dải.Hình 5.3.8 Anten và đồ thị S11 sau khi tối ưu các thông sé.

Bảng 4.1.1.1: Kích thước loại anten dipole.Bang 4.1.2.1: Kích thước anten vi dai 5Ghz.

Bảng 4.1.3.1: Kích thước anten với patch cộng hưởng ở tan số thứ 2

Bảng 4.1.3.5: Kích thước anten hình Hình 4.1.2.1 khi thêm vào 2 patch.

Bảng 4.1.3.10 Kích thước anten với patch hình chữ L đối xứng không có mass

Bảng 4.1.3.13: Kích thước anten với patch vi dải hình chữ T có mass.

Bảng 5.2.6: Kích thước anten 5Ghz với 2 khớp nối.Bảng 5.2.13: Kích thước Anten vi dải với 2 dải tần 2.4Ghz và 5Ghz dự kiến

Bang 5.3.1: Kích thước Anten vi dải với patch là đường vi dải.

Bảng 5.3.7: Kích thước anten sử dụng đường truyền vi dai

Hình 5.3.10: Mặt trước và mặt sau của anten đo đạc.

Hình 5.3.11: Kết qua S11 đo đạc thực tế và mô phỏng

XIV

EIRP

FCCGPRMSL

RFID

WLANWPAN

DANH SACH CAC TU VIET TAT

Wireless FidelityCommunications & Measurement SystemCoplanar Waveguide

Equivalent Isotropically Radiated PowerFederal Communications CommissionGround Penetrating Radar

Microstrip LineRadio Frequency IDentificationWireless Local Area NetworkWireless Personal Area Network

CHƯƠNG 1 DAT VAN DE1.1 Động lực thực hiện dé tài.

Ngày nay hệ thống thông tin liên lạc ngày càng phát triển, lĩnh vực thông tin diđộng phát triển không ngừng, trong đó các thiết bị cầm tay không dây ngày càngpho biến, hệ thống Wifi không ngừng day mạnh dé đáp ứng nhu cầu không dâyphục vụ con người, thay thế những thiết bị truyền thống dây dẫn phức tạp

Trong lĩnh vực xây dựng, với sự phát triển không ngừng của các thiết bị cam tay,điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tinh cá nhan tat cả đều được tích hợp

the wifi, hiện nay các ngôi nhà thông minh đang ứng dụng công nghệ này, chỉ với

chiếc điện thoại chúng ta có thé điều khiến tất cả các thiết bi trong nhà thông qua

sóng wifi.

Hiện nay các nhà nghiên cứu đại hoc Washington (Mỹ) đã nghiên cứu 1 thiết bị sửdụng sóng wifi để nhận biết cử động của con người, thiết bị này hoạt động theohướng tận dụng kết nối wifi đang được bật để người dùng tắt mở máy hát hoặc đổikênh truyền hình băng cách thực hiện một cử chỉ cụ thể Thậm chí, người dùnghoàn toàn tự do điều khiến thiết bị điện tử hoặc đồ điện gia dụng từ bất cứ nơi nào

trong nhà.

Vì wifi mang nét đặc trưng riêng so với các hệ thông khác, nên việc thiết kế antencho hệ thống wifi cũng mang những đặc điểm riêng biệt, các đặc trung anten Wifi

có thé kế đến bao gồm: băng tần hoạt động, đồ thị bức xa, phân cực, độ lợi, hiệu

suất, kích thước Các thông số này phải đáp ứng yêu cầu đặt ra trong hệ thông Wifivà phải phù hợp với từng ứng dung cụ thé

Với động lực đó, đề tài sẽ đi vào nghiên cứu các đặc điểm của anten Wifi, và khảosát các thành phan hình học ảnh hưởng đến các yếu t6 bức xạ của anten, đưa ra mỗiliên hệ giữa mach phân bồ và tập trung tử đó đưa ra hướng thiết kế tối ưu cho antensử dụng trong hệ thống Wifi

Chương | : Đặt vấn dé 2 HVTH : Nguyễn Văn Dương

1.2 Mục tiêu đề tài.Nghiên cứu anten wifi, sử dụng 2 băng tần wifi 2.4Ghz và 5Ghz bằng phương phápsử dụng các phan tử cộng hưởng dé phân tích qua lại giữa mạch phân bố va tập

trung, từ đó đưa ra hướng tiếp cận thiết kế anten Wifi, có tính hệ thống Đặc biệt tậptrung nghiên cứu các phan tử cơ ban có dạng hình chữ nhật, hình xuyến, hình cung

tròn Sử dụng các phần mém hỗ trợ: CST Studio Microwave phân tích mô hìnhtoàn sóng FDTD, phan mềm mô phỏng mach cao tan ADS Agilent và các công cụ

tính toán trong Matlab.

Từ các kết quả nghiên cứu rút ra sẽ được sử dụng dé thiết kế các mẫu anten Wifibao gồm anten vi dai và anten monopole, hoạt động ở 2 băng tần Wifi, có độ lợitrên 2dB, hiệu suất lớn hơn 60%, kích thước phù hợp với các thiết bị cầm tay, vàđưa ra sơ đồ tương đương cho mỗi loại

1.3 Các công trình thiết kế anten Wifi trước đây và đưa ra hướng tiếp cận

> Khao sát các bai bao:

Phương pháp tiếp cận Cavity Model phân tích thiết kế anten Patch được dua ratrong[1] Anten được thiết kế dual-band, bao phủ hai dải tần hoạt động cua WiFi va

WiMax là 2.4 GHz, 3.5 GHz Với Patch dang chữ E.

Ww4

ws

h 1.6ys x 8.5

ws 2

ls 8.3

vs 10A

*nl Ỳ

Trong đó, k„ạ được tính theo các tham số anten vi dải:

uw & WN m

Hình 1.3.2 Các tan số cộng hưởng của Patch hình chữ E[1]

Tu đó mô hình tương đương cua cau trúc anten được đưa ra

Freq (GHz)

Hình 1.3.4 Đồ thị S11, mô phỏng và do dac[1]

Chương | : Đặt vấn dé 4 HVTH : Nguyễn Văn Dương

Đồng thời kết quả đo đạc cũng được đối chiếu với mạch tương đương

+

Hinh 1.3.7 Printed Dipole Anten[2]

Chương | : Đặt vấn dé 5 HVTH : Nguyễn Văn Dương

Việc thêm vào các patch ký sinh làm tăng cường tần số cộng hưởng cho anten Kếtquả của việc thêm một va hai patch ảnh hưởng đến d6 thi Return Loss của anten

Hình 1.3.9 Thêm vào anten hai patch cộng hưởng ký sinh[2|

Sử dụng hai patch dạng chữ U để tạo ra đa băng tần cũng được áp dụng trong thiếtkế[3]

Từ các kết quả những bài báo, chủ yếu hướng thiết kế anten là sử dụng các côngthức tính chiều dài (L), và chiều rộng (W) sau đó bang thực nghiệm và định tínhđưa ra mô hình mô phỏng và chỉnh sửa để đạt được kết quả, đây cũng là cáchthường dùng dé thiết kế anten nói chung hiện nay, và vì vậy rất ít bài có thé đưa rađược một mô hình cụ thể và chứng minh được bằng công thức định lượng hayhướng để thiết kế cụ thể

Chương | : Đặt vấn dé 6 HVTH : Nguyễn Văn Dương

> Phương hướng tiếp cận đưa ra:- Tap trung làm mô phỏng các phần tử mạch cao tần dé đưa ra sơ đồ mạch

dưới dạng RLC (mô phỏng sử dụng phần mềm ADS).- Tim hiểu kỹ thuật để ghép các phần tử mạch RLC, đưa ra dang anten

hoàn chỉnh (mô phỏng sử dụng phan mềm CST).- So sánh 2 quá trình mô phỏng rút ra kết luận

Y So sánh 2 kết quả mô phỏng mạch và anten (kết quả này phảitương đương nhau hoặc gần giống nhau)

Y Đưa ra phương pháp tiến hành thiết kế anten theo hướng có mô

hình va cách thức thực hiện

Phân tích các phần từ

cao tân(hình dạng vi dải)

|

Mạch tương đương

RLC(Mô phỏng ADS)

Đo đạc đối chiếu kết

quả với thiết kê

Tối ưu hóa kích thước

và đặc tính Antenna

Hình 1.3.10 Lưu đồ thực hiện.1.4 Đối tượng nghiên cứu

Dé tai đi vào nghiên cứu các đặc tính của phân tử cao tân và các kỹ thuật thiệt kêanten từ đó thực hiện thi công anten.

Chương | : Dat van déHVTH : Nguyễn Văn Dương

Các phân tử cao tân:e Phân tử điện cam:

Điện cảm Ro Ri Ro

ae

Hình 1.4.1 Phan tử điện cảm [4]Từ hình 1 trên ta thấy các phan tử tương ứng L là các đường vi dải trong siêu caotân

e Phan tử điện dung:

Hình 1.4.2 Phan tử điện dung [4]

Chương | : Đặt vấn dé 8 HVTH : Nguyễn Văn Dương

Các phần tử điện dung tương ứng là 2 bảng tụ được ghép cùng nhau và cách nhau

bởi lớp điện môi.

e Phần tử điện trở:Điện trở

A

@i LíGY 224 : Z,5€im 7W : Ps Ẻ ;IG, a lê i, race 5

Hình 1.4.4 Mạch cộng hưởng [4].

Từ các phan tử cao tan của hình 1.4.1, 1.4.2, và 1.4.3 ta có thé tạo ra các mach cộng

hưởng như hình 1.4.4.> Cách thức thực hiện:

Chương | : Đặt vấn dé 9 HVTH : Nguyễn Văn Dương

e Phan mém thực hiện khảo sát: ADSTính toán okcác phân tử | Thiet ke Mô phỏng

RLC | mach = fs > mạch RLC(f = 2.5Ghz) RLC

Hình 1.4.5 Sơ đồ thực hiện ADS1.5 Ứng dụng anten Wifi trong hệ thông không dây.Một số ứng dụng anten Wifi trong hệ thống mạng không dây

@3G SIM Card

HSDPA/HSUPA-WiFi Router ` ®

(WIFI-H100) $ }

Hình 1.5.1 Các thiết bi phố biến sử dung anten wifi

Chương | : Đặt vấn dé 10 HVTH : Nguyễn Văn Dương

cử ể " Wireless\ ¬ 1- re Coverage

Chương I Trinh bày ly do chọn lựa đề tài, động lực thực hiện và mục đích của đề tài.Phân tích sơ lược kết quả của các công trình nghiên cứu thiết kế anten vi dai cho hệthống wifi, điểm qua một số ứng dụng của hệ thống wifi

Hệ thống wifi được trình bày tổng quan trong chương 2 Chương này cũng trình bàycác chuẩn của hệ thống wifi, các băng tần quy định sử dụng

Chương 3 là các cơ sở lý thuyết trong thiết kế anten planar wifi Các kỹ thuật cấpnguôn và mô hình phân tích anten cũng được đề cập

Chương 4 Khảo sát ảnh hưởng các thành phan hình học ảnh hưởng đến đặc tính của

CHƯƠNG 2 ANTEN WIFI

2.1 Khai quat cong nghé Wifi.

Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mang 802.11 là hệ thông mạng không day sửdụng sóng vô tuyến

Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) Viện kỹ thuật điện và điện tử Mỹ Viện này đưa ra nhiều chuẩn chonhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loạichúng: 4 chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay là 802.11a/b/g/n

Trong một mạng Wi-Fi, máy tính và card mạng wifi kết nối không dây đến một bộđịnh tuyến không dây (router) Router được kết nối với Internet băng một modem,

thường là một cáp hoặc modem DSL.

Wifi sử dụng công nghệ vô tuyến để liên lạc, thông thường hoạt động ở tần số2.4GHz hoặc 5Ghz Wifi là công nghệ được thiết kế để phục vụ cho các hệ thốngmáy tính nhẹ của tương lai, đó là điện thoại di động và thiết kế để tiêu thụ điện năngtối thiểu PDA, máy tính xách tay, và các phụ kiện khác nhau được thiết kế dé tương

Cho đến hiện tai IEEE 802.11 gồm có 4 chuẩn trong họ 802.11 và 1 chuẩn dang

e S02.11a - (phát triển vào năm 1999, hoạt động ở tầng số 5GHz — 6GHz,tốc độ 54Mbps).

e 802.11g - (một chuẩn tương tự như chuẫn b nhưng có tốc độ cao hơn từ20Mbps - 54Mbps, hiện đang pho biến nhất)

e802.1l1e - là 1 chuẩn dang thử nghiệm: đây chi mới là phiên bản thửnghiệm cung cấp đặc tính QoS (Quality of Service) và hỗ trợ Multimedia

cho gia đình và doanh nghiệp có môi trường mạng không dây.

Thực tế còn một vài chuẩn khác thuộc họ 802.11 là: 802.11F, IEEE 802.11h,IEEE 802.11j, IEEE 802.11d, IEEE 802.11s Mỗi chuan được bố sung nhiều tính

nang khac nhau.e [EEE 802.11 LAN Standard

Nam 1997, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers )tao ra

chuẩn đầu tiên của WLAN, gọi là 802.11 sau tên của nhóm phát triển(IEEE 802.11) Tuy nhiên, 802.11 chỉ hỗ trợ mạng băng thông tối đa là2Mbps (hoạt động 2.4GHz với tốc độ là IMpbs hoặc 2Mpbs)- quá chậmcho hầu hết các ứng dụng Do đó, các sản phẩm 802.11 không còn đượcsản xuất

e IEEE 802.1I1b

IEEE mo rong chuan 802.11 ban dau vao tháng 7 năm 1999, tạo ra chuẩn802.11b 802.11b cung cấp băng thông lên tới 11Mbps (hoạt động ở tangsố 2.4GHz và tốc độ tăng dần IMpbs, 2Mpbs, 5,5Mpbs và 11Mpbs

802.11b sử dụng tần số sóng radio không cần đăng ký 2.4GHz như làchuẩn 802.11 Nhà sản xuất thường thích sử dụng tần số này để làm giảmgiá thành sản pham Boi vì sử dụng tần số không đăng ký, các thiết bị802.11b có thé xảy ra nhiễu từ những sản phẩm cùng sử dụng tan số đónhư là lò vi sóng, điện thoại mẹ bồng con (cordless phones) va rất nhiềusản phẩm ứng dụng cùng sử dụng dải tần 2.4 Tuy nhiên, chỉ cần lắp đặtthiết bị 802.11b xa những thiết bị khác, những vấn đề nhiễu dễ dàng đượcgiải quyết

Chương 2: Anten Wifi 13 HVTH : Nguyễn Văn Dương

e Ưu điểm: giá thành rẻ, dải tín hiệu tốt và không dé dang bị tắc nghẽn.e Nhược điểm: Tốc độ thấp nhất, lắp đặt ở nhà dễ bị nhiễu bởi các thiết

bị cùng dải tần không đăng ký

e IEEE 802.lla

Song hành với 802.11b, IEEE tiếp tục đưa ra chuẩn mở rộng thứ hai cũngdựa vào 802.11 đầu tiên - 802.11a Chuẩn 802.11a sử dung tần số 5GHz,tốc độ 54Mbps tránh được can nhiễu từ các thiết bị dân dụng Đồng thời,chuẩn 802.11a cũng sử dụng kỹ thuật trải phô khác với chuẩn 802.1 1b - kỹthuật trải phố theo phương pháp đa phân chia tần số trực giao (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing-OFDM) Đây được coi là kỹ thuật trội

hơn so với trải phố trực tiếp (DSSS) Do chi phí cao hơn, 802.11a thường

chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp, ngược lại, 802.11b thích

hợp hơn cho nhu cầu gia đình Tuy nhiên, do tần số cao hơn tần số củachuẩn 802.11b nên tín hiện của 802.11a gặp nhiều khó khăn hơn khi xuyên

tường và các vật cản khác.

Do 802.11a và 802.11b sử dụng tần số khác nhau, hai công nghệ naykhông tương thích với nhau Một vài hãng sản xuất bắt đầu cho ra đời sảnphẩm "lai" 802.11a/b, nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là cung cấp 2chuẩn sóng Wi-Fi cùng lúc (máy trạm dùng chuẩn nào thì kết nỗi theochuẩn đó)

e Ưu điểm: tốc độ nhanh, không bị nhiễu với những thiết bị khác.e Nhược: giá thành cao, bước sóng ngăn nên dễ bị can

e IEEE 802.ll1g

Vào năm 2002 - 2003, san phẩm WLAN được cung cấp một chuẩn mới cótên gọi là 802.11g 802.11g là kết hop ưu điểm của hai chuẩn 802.11a và802.11b: cung cấp băng thông lên tới 54mbps và sử dụng dải tần 2.4 chocác thiết bị phát sóng Vì 802.11g hoạt động cùng tần số với 802.11b,nghĩa là các điểm truy cập (access point —AP) 802.11g sẽ làm việc với cardmạng Wi-Fi chuẩn 802.1 1b

Chương 2: Anten Wifi 14 HVTH : Nguyễn Văn Dương

Tháng 7/2003, IEEE phê chuẩn 802.11g Chuẩn này cũng sử dụng phươngthức điều chế OFDM tương tự 802.11a nhưng lại dùng tan số 2,4GHzgiống với chuẩn 802.11b Điều thú vi là chuẩn này vẫn đạt tốc độ 54Mbpsvà có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11b đang phố biến.

e Ưu điểm: Tốc độ nhanh, tín hiệu tốt và không dé bị can.e Nhược điểm: giá thành cao hơn 802.11b, nhưng có thé bị nhiễu bởi dai

tan không cần đăng ký

e IEEE 802.1 1n

Chuan Wi-Fi mới nhất trong danh mục Wi-Fi là 802.11n 802.11n đượcthiết kế dé cải thiện tính năng của 802.11g về tong băng thông được hỗ trợbăng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten (gọi là công nghệMIMO-multiple-input and multiple-output) Khi chuẩn này hoàn thành,802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ lên đến 300Mbps 802.11n cũng cho tầm phủ sóngtốt hơn các chuẩn Wi-Fi trước đó nhờ tăng cường độ tín hiệu Các thiết bị

802.11n sẽ tương thích ngược với 802.11g.

e Ưu điểm: là tốc độ nhanh nhất, vùng phủ sóng tốt nhất; trở kháng lớnhơn để chống nhiễu từ các tác động của môi trường

e Nhược điểm: giá cao hơn 802.11g: sử dụng nhiều luéng tín hiệu có thégây nhiều với các thiết bị 802.11b/g kế cận

Bảng 1 Các đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.11[5]

302.11a 302.11b 802.11¢ 802.11nNam phé

: Thang 7/1999 | Tháng 7/1999 | Tháng 6/2003 Tháng 9/2009chuân

300Mbps hayToc độ tôiđa | 54Mbps IIMbps 54Mbps

cao honDSSS hay` „ DSSS hay | DSSS hay CCK

Điêu chê OFDM CCK hay

CCK hay OFDM

OFDM

Dai tân sô | 5GHz 2 AGHZ 2 AGHZ 2.4GHz hay

Chuong 2: Anten Wifi 15 HVTH : Nguyễn Van Dương

trung tan (RF) 5GHz

Spatial Stream | 1 ] ] 1,2,3 hay 4Độ rộng băng 20 MHz hay

20MHz 20MHz 20MHzthong 40 MHz

2.3 Tan số hoạt động [5]Có hai tín hiệu tần số hiện đang được su dung bởi các mang Wi-Fi:

e 2.4 GHz - Bao gồm 14 kênh, mỗi lần với một băng thông hoạt động khoảng20-22 MHz trong bang ISM 802.11b / g mạng lưới hoạt động trong băng tan2,4 GHz Nó là một tan số đông người vi nhiều thiết bị khác hơn 802.11 thiếtbị hoạt động trong đó Ví dụ, Bluetooth cũng như nhiều sản phẩm tiêu dùng

như lò vi ba, điện thoại

e 5 GHz - Bao gồm 13 kênh, mỗi lần với một băng thông của các hoạt độngkhoảng 20 MHz trong băng U-NII mạng 802.1 1a hoạt động trong dải tan 5.Hiện nay, ban nay ít đông đúc hon 2.4 GHz, nhưng điều này có thé thay đổikhi thị trường không dây tiếp tục phát triển

Các tín hiệu tần số cao có độ suy giảm cao hơn qua thông qua những trở ngạihơn so với tín hiệu tần số thấp hơn Đây là bởi vì một số năng lượng củatrường điện từ chuyển vào các tài liệu của chướng ngại vật (bức tường xi

măng, tán lá, ) làm giảm sức mạnh của tín hiệu.

Chương 2: Anten Wifi 16 HVTH : Nguyễn Văn Dương

CHƯƠNG3 CAC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THIET

KE ANTEN WIFI3.1 Các kỹ thuật thiết kế anten [6]

e Microstrip Anten

Anten vi dai đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại rat mỏng ( bề dày t« Ao, Aolà bước sóng trong không gian tự do ) đặt cách mặt phăng đất một khoảng rất nhỏ (h<< Ao, thường thì 0.003 Ap< h < 0.052 ) Patch của anten vi dai được thiết kế décó đồ thị bức xạ cực đại Điều này được thực hiện băng cách lựa chọn đúng modecủa trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch Bức xạ End-fire cũng có thểthực hiện được bang cach lua chon dung mode hoat dong Đối với một patch hìnhchữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng Ap/3< L < Äg/2 Patch vamặt phăng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nên

Hình 3.1.1 Anten vi dai [6]

Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hăng số điệnmôi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2 < €,< 12 Những lớp điện môi đượcsử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hang số điện môi của chúngthường thấp hơn giá trị ở cuối dai vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn vàgiới han sự bức xạ các trường ton hao vào trong không gian, nhưng kích thước các

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 17 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

phan tử lớn hơn Nền mỏng với hăng số điện môi lớn hơn có thể được sử dụng đểthiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cau giới hạn trường chặt chẽ để giảmthiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cũng cho kích thước cácphân tử nhỏ hơn Tuy nhiên chính vì sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và

băng thông nhỏ hơn.e Các hình dạng co bản của anten vi dai

Anten vi dai được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các loại anten truyền thống khác.Chúng cũng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như : hình vuông(square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu (semicircular), hình quạt

(sectoral), hình vành khuyên (annular ring).

O)Square Circular Triangular

Semicircular Annular ring Square ringHinh 3.1.2 Cac dang anten vi dai thong dung [6].

Tất cả anten vi dai được chia lam 4 loại co ban : anten patch vi dai, dipole vi dai,

anten khe dùng kỹ thuật in va anten traveling-wave vi dải® Anten patch vi dải

Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dang hình học phang haykhông phăng trên một mặt của miếng dé điện môi và mat phăng đất nam trên mặtphăng còn lại của dé Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tinhbức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 18 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

dipole.Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn

là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi.e Dipole vi dai

Dipole vi dai có hình dạng giống với anten vi dai patch hình vuông nhưng chỉ khácnhau ty số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trongkhông gian tự do.Đồ thị bức xạ của dipole vi dai và anten patch vi dai thì giống

nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân

cực chéo ( eross-polar ) thì chúng hầu như khác nhau Anten dipole vi dải thì thíchhợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng dé điện môi có bé dàytương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hìnhcấp nguồn rat quan trong và phải được tính đến khi phân tích anten dipole vi dải

e Printed Slot Antens

Printed Slot Antens có cau tạo bao gồm một khe trong mặt phang đất của một déđược nối đất ( grounded substrate ) Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhaunhư la: hình chữ nhật, hình tròn hay hinh nến Anten loại này bức xạ theo haihướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơnhướng bang cach su dung mot mat phan xa 6 mot phia cua khe

e Microstrip Travelling-Wave Antens ( MTA )

MTA duoc cau thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạnđường truyền vi dai đủ dài và đủ rộng dé có thé hồ trợ chế độ truyền TE Trong đó,đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiêntượng sóng đứng trên anten, Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóngchính trong bat kỳ phương nao từ broadside đến endfire

e Dac tính cua Microstrip Atennas ( MSA )

Anten vi dai (MSA ) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác Dođó, anten vi dai sử dụng vào nhiều ứng dung trong khoảng băng tan từ 100MHz đến100GHz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng vớinhiều ưu điểm, tuy nhiên nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

e Uudiém

Chương 3 : Cac kỹ thuật cơ bản 19 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề day mỏng.Chi phí sản xuất thấp, dé dàng sản xuất hàng loạt.Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản.

đồng thời với việc chế tạo anten.Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nên.Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thăng

S NOUN Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân.Khuyết điểm :

S Có bức xạ ký sinh từ đường truyền và mối nối.Y MSA có băng thông rất hep, thông thường chỉ khoảng 1-5%, đây là hạn chế

lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phô rộng.Với những ưu điểm vượt trội mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng

e Một số ứng dụng của MSAs :

Vv Các anten dùng trong thông tin vô tuyến can nhỏ gon nên MSA thường được

dùng.Các Radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ.

Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

> GSM hay GPS cũng có thé dùng MSA.3.2 Cac kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dai ( feed method ) [6]Do anten vi dai có thành phan bức xa trên một mặt của dé điện môi nên các kỹ thuậtdùng để cấp nguồn cho anten vi dai lúc ban đầu là bang cách dùng một đườngtruyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phang đất nối đến patch kimloại của anten vi dải Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số kỹ thuậtcấp nguồn mới cho anten vi dai đã được nghiên cứu va phát triển Hiện nay cácphương pháp phố biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dai là: cấp nuồn sử dungđường truyền vi dai, probe đồng trục, gép khe ( aperture-coupling ), gép gan (

proximiti-coupling ).

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 20 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

Việc lựa chon cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Tuy nhiên yếu tổquan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồntức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau Ngoài ra, việc chuyểnđối trở kháng bước, việc uốn cong, cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy haosóng mặt Các bức xạ không mong muốn nay làm tăng bức xạ phụ trong đồ thị bứcxạ của anten vi dai Việc giảm thiểu bức xạ rò và những ảnh hưởng của nó lên đồthi bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay

không?

3.2.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải.Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dai trên cùng một lớp nền làmột cách chọn lựa tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền vi dai hởvà ca hai có thé được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên kỹ thuật này có vaihạn chế Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước đoạnfeed line là đáng kế so với patch (vi dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với khoảng

Ground plane Coaxial feed

Hình 3.2.2 Cấp nguồn bang Coaxial Probe [6]

Chương 3 : Cac kỹ thuật cơ bản 21 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

Cấp nguồn bang probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất dé truyền tảicông suất cao tân Với cách feed nay, phan lõi của đầu feed được nối với patch,phân ngoài nối với ground plane Ưu điểm của cách feed này là đơn giản trong quátrình thiết kế, có khả năng feed tai mọi vi trí trên tam patch do đó dé dang cho phéihop trở kháng Tuy nhiên cách này có nhược điểm là :

Thứ nhất vì dùng đầu feed nên có phân ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàntoàn phẳng và mat đi tính đối xứng Thứ hai là khi cần cấp nguồn đồng trục cho mộtdãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nói tăng lên và như thế việc chế tạo mạch sẽ khó khănvà độ tin cậy giảm đi Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi phảităng bể day của lớp nền cũng như chiều dải của probe Kết qua là bức xạ rò của

probe và điện cảm của probe tăng lên.

{Microstrip

wae line «

Hình 3.2.2.1 Cấp nguồn theo phương pháp ghép gan [6]3.2.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity coupledHình 3.2.2.1 cho thấy một phương pháp cấp nguénvi dải không tiếp xúc va khôngđồng phăng Trong trường hợp này, để điện môi gồm hai lớp với đường truyền vidải nằm ở lớp duới và anten năm ở lớp trên

Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ Phương pháp này về

Lá^

ban chat là ghép điện dung giữa miếng patch và đường truyền cấp nguồn Thông sốcủa hai lớp nên có thé được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ rò ởđầu cuối hở của đường truyền Cũng vì lý do này, bề dày của lớp thứ hai cũng mỏng

hơn Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn Tuy nhiên phương pháp này sẽ phức

tạp hơn khi chế tạo và sản xuất

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 22 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

3.2.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture CoupledNếu sử dụng phương pháp này thì khó chế tạo và cũng có băng thông hẹp Tuynhiên, nó có vài đặc điểm giúp cho việc mô hình hóa dễ dàng hơn và có bức xạ rò íthơn Ghép khe không tiếp xúc bao gồm hai nền điện môi được phân cách bởi mặtphăng đất.

Chất điện môi với hăng số điện môi cao hơn được sử dụng cho nên điện môi day,chat điện môi thấp và dày được sử dung làm nên phía trên

Việc đưa ra các mô hình phân tích có một ý nghĩa thực tiễn rất lớn vì các lý do:

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 23 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

- Giúp ta giảm bớt một lượng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ bằngcách tác động vào quá trình thiết kế.

- Giúp ta đánh giá một cách chính xác các ưu khuyết điểm của anten bằngcách nghiên cứu các thông số của nó

- Cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tản choviệc nghiên cứu và phát triển các thiết kế sau nảy

Mô hình đường truyền sóng xem một anten vi dải có patch hình chữ nhật như là mộtđoạn của đường truyền vi dải Đây là mô hình đơn giản nhất, nó cho ta một sự hiểubiết vật lý sâu sac nhưng kém chính xác và khó áp dụng cho các mô hình ghép, cũngnhư không thể áp dụng cho các anten có dạng phức tạp

Khác với mô hình đường truyền sóng, mô hình hốc cộng hưởng có độ chính xác caohơn nhưng đồng thời cũng phức tạp hơn Tuy nhiên, mô hình này có ưu điểm là cóthể áp dụng được trên nhiều dạng khác nhau của patch Cũng như mô hình đườngtruyền sóng, mô hình hốc công hưởng cũng cho một sự hiểu biết vật lý sâu sắc và

khá phức tạp khi áp dụng cho các mô hình ghép anten Và nó cũng được sử dụng khá

thành công Ở đây ta xem xét mô hình đường truyền và mô hình hốc cộng hưởng.Tuy nhiên trong đó cũng sử dụng một số kết quả tính toán và thiết kế của mô hìnhtoàn sóng Trong đó chúng ta chỉ xem xét dạng anten vi dải phố biến và thực tế nhất

là patch chữ nhật.

3.3.1 Mô hình đường truyền (Transmission line )Mô hình đường truyền là dễ nhất cho tất cả các loại nhưng nó cho kết quả ít chínhxác nhất vì nó thiếu tính linh hoạt Tuy nhiên, nó cho một sự hiểu biết tương đối rõràng về tính vật lý Một microstrip anten chữ nhật có thé được mô tả như một mảngcủa hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng là W, chiều cao h, và cách nhau mộtkhoảng L Mô hình đường truyền cơ bản diễn tả an ten vi dải gồm hai khe phân cáchnhau bởi một đường truyền có trở kháng thấp Z, và có chiều dải L

3.3.1.1 Hiệu ứng viền ( Fringing effects )Do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, trường tại gờ củapatch bị viễn Nhìn chung viền là một hàm theo các kích thước của patch và chiều

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 24 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

cao của lớp điện môi Trong mặt phăng ngang E-plane ( mặt phang x-y ), viền làhàm theo tỷ số giữa chiều dài patch, bề dài lớp điện môi ( L⁄h ), và hăng số điện môiE, Khi anten vi dải có L/h >> 1, hiệu ứng viền được giảm bớt, tuy nhiên nó phảiđược đưa vào tính toán vì nó ảnh hưởng đáng kế đến tần số cộng hưởng của anten.Như ta đã biết, hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp điện môi nền và mộtphan của một số đường tôn tại trong không khí Khi L/h >> 1, và €, >>1, nhữngđường sức điện trường tập trung hau hết trong nên điện môi Hiệu ứng viễn trongtrường hop này làm cho đường truyền vi dải trong có vẻ rộng về điện hơn kích thướcthực của nó Khi đó một vài sóng đi vào trong lớp điện môi nền, và một số khác đivào trong không khí Hang số điện môi hiệu dụng €„r được sử dung để hiệu chỉnhcác ảnh hưởng của hiệu ứng viên đối với sóng trên đường truyền.

Dé đưa ra hằng số điện môi hiệu dung, chúng ta giả sử tâm dẫn của đường truyền vidải với kích thước và chiều cao trên mặt phăng đất nguyên thủy của nó được đưa vàomột lớp điện môi đồng nhất như hình Đối với một đường truyền với không khí ởtrên nền, hăng số điện môi hiệu dụng có giá tri trong khoảng 1 < Egg, < €; Tronghau hết các ứng dụng mà ở đó hang số điện môi lớn hơn nhiều so với 1( €>>l ), giátri của hăng số điện môi hiệu dụng sẽ gân với hệ số điện môi thực hơn Hang số điệnmôi hiệu dụng cũng là hàm của tần số Khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đườngsức điện trường tập trung trong nền điện môi Vì vậy đường truyền vi dải sẽ gầngiống với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hăng số điện môi hiệu dụng

tiên tới giá trị của hăng sô điện môi nên hơn.

hoo |

(a) Microstrip line (b) Electric field lines

TE,

(c) Effective dielectric constant

Hinh 3.3.1.1 Hang số điện môi hiệu dụng [6]

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 25 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi

Ở tan số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là hăng số € cơ bản Tại các tần số trunggian các giá trị của nó bắt dau tăng đều và cuối cùng tiến tới giá trị hăng số điện môinên Giá trị ban đầu ( tại tần số thấp ) của hăng số điện môi hiệu dụng được diễn tả

như một giá tri tinh.Hang sô điện môi hiệu dụng được cho bởi công thức:

1

£+l e¢.-l h |?=———+— I+12— 3.1

Pett “5 2 4 GD

Với W/h >>]

3.3.1.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụngDo hiệu ứng viền, patch của anten vi dải về mặt điện trông có vẻ lớn hơn kích thướcvật lý của nó trong mặt phăng x-y Điều này được chứng minh trên hình 3.5.1.2, ở đóchiều dài điện của patch vượt quá chiều dai vật lý một khoảng AL về mỗi phía, vớiAL là hàm của hang số điện môi hiệu dụng và tỷ số chiều rộng trên bề day điện môi (W/h ) Khoảng chênh lệch giữa chiều dài điện và chiều dài thực này được tính xấp xi

Giả sử mode ưu thé là TM¿¡o, tan số cộng hưởng của anten vi dai của mode này là

một hàm của chiêu dài và được cho bởi công thức:

Trong đó Vo là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do Nhung do hiệu ứng vién tác

(3.4)

động đền chiêu dài và hang sô điện môi hiệu dung nên công thức trên phải được thay

thế băng:

Chương 3 : Các kỹ thuật cơ bản 26 HVTH : Nguyễn Văn Dương

trong thiệt kê Anten Wifi