Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Cải tiến băng thông Anten khe Dual-Band trong ứng dụng Wlan

- Guidi thiệu và định nghĩa anten.- Nêu ra một sô tham sô cơ ban đê đánh gia chat lượng của anten như: :giản đô bức xạ, công suat bức xạ, hệ sô định hướng, hệ sô tang ích,phân cực, trở k

Trang 1

NGUYEN VĨNH THÀNH

CẢI TIEN BANG THONG ANTEN KHE DUAL-BAND TRONG

ỨNG DỤNG WLAN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VAN THAC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

Trang 2

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

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:nh 699 ÐĐ

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Trang 3

Tp HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYÊN VINH THÀNH Giới tính: Nam I/Nữ L]Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1983 Nơi sinh : Cần Thơ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Khoá (Năm trúng tuyến) : 20091- TÊN DE TÀI:

Cải tiền băng thông anten khe DUAL-BAND trong ứng dụng WLAN

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- _ Nghiên cứu cải tiễn anten khe vi dai trong ứng dụng WLAN.- M6 phỏng băng phan mềm CST Microwave Studio 2009.- Thi công anten thực tế

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngảy tháng năm 20114- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: ngày tháng năm 20115- HO VÀ TEN CÁN BỘ HƯỚNG DAN: TS PHAN HỎNG PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DAN ˆ CHỦ NHIỆM BO MON KHOA QL CHUYỂN NGANH(Họ tên va chit ky) © QUAN LÝ CHUYEN NGANH (Ho tén va chit ky)

(Họ tên va chữ ky)

Trang 4

đã truyền đạt các kiến thức quý báu và hướng dẫntận tình trong suốt quá trình hoàn tat luận văn này.Đồng thời, tôi cũng gửi lời cảm ơn các bạn đồnkhóa cũng như các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi tronthời gian qua Mặc dù có nhiều cố gắng để hoàthành luận văn, nhưng chắc chắn không thê tránh sasót, tôi rất mong tiếp tục nhận được sự hướng dẫnva chỉ bảo của quý thay cô.

Tp HCM, tháng 12 năm 2011Nguyễn Vĩnh Thành

Trang 5

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gan đây,theo đó các thiết bị di động ngoài việc tích hợp thêm nhiều tính năng còn phải thoảmãn nhu cau ngày càng nhỏ gọn Anten gan trên thiết bị đầu cuối cũng phải thu nhỏ

5.15 — 5.35/ 5.725-5.825 GHz ).

WLAN là một mạng truyền dữ liệu mở rộng từ hệ thong mang LAN có dây

Trước tiên nó được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nơi mà các nhân viên luôn

di chuyển hoặc những nơi gây cản trở việc thi công đường dây cáp cho hệ thốngmạng LAN Từ đó, WLAN bắt đầu được sử dụng ngày càng nhiều trong các vănphòng, nhà ở Năm 2008, khoảng 90% máy tính xách tay được tích hợp thiết bịWLAN Sự phát triển đó song hành cùng nhu cau cải tiến về tốc độ truyền và dunglượng truyền

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một anten khe (slotantenna), có khả năng hoạt động tai dai tần WLAN Anten được chế tạo trên chấtnên có hang số điện môi er = 4.6, độ day là 1.6 mm

Cau trúc luận văn này chia làm 3 phân chính:

e Phần I- Lý thuyết cơ bản:

Trang 6

- Guidi thiệu và định nghĩa anten.- Nêu ra một sô tham sô cơ ban đê đánh gia chat lượng của anten như: :

giản đô bức xạ, công suat bức xạ, hệ sô định hướng, hệ sô tang ích,phân cực, trở kháng vào

Chương 2: Giới thiệu về Anten Patch vi dai (MSA).Chương 3: Giới thiệu về Anten khe vi dải (MSAs): các ưu điểm, nhược điểm

so VỚI anten Patch vi dai.

e Phần II - Cấu trúc anten, mô phỏng và kết qua thực nghiệmChương 4: Cấu trúc anten

- Mô tả câu trúc anten dựa trên một sé lý thuyết và công thứcChương 5: Mô phỏng và kết quả thực nghiệm

- Các bước mô phỏng, kết quả mô phỏng và thực nghiệm

e Phần III — Kết luận và hướng phát triểnChương 6: Kết luận và hướng phát triển của luận văn

Trang 7

MỤC LỤC

MỤC LUC 2G G00 G5 0055505996 69 69903 009.0 0 090 0000 00000040 00 696088090996 i

DANH SACH HINH n7 .- ivDANH SÁCH BIEU BẢNG 5° s< se s+eseeeEeeEeeteerrseeerrerserssrrsrser Vii0 \eosi0Ai 500175757 viiiPHAN I LÝ THUYET CO SỞ o°- 5° << 5s server reesee 1CHUONG 1 CƠ SỞ LÝ THUYET GIẢI QUYẾT VAN ĐẼ 2

1.1 Ly thuyết chung vé anfen - tt EEềEEE K21 1311111111 1 1x11 tt 2

1.2 Hé phương trình Maxwell -.- 2c 222221221 1111111111111 115111111111 eg 31.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ - 52c cc S2 5

1.4 Các thông số cơ bản của an{en s- ct St E1 E1E1E11111 15721151 EEEEEErrskd 6

1.4.1 Trở kháng vào của an{€n - ‹-cc c cc n1 xxx cư, 8

1.4.2 — Hiệu suất của ante o cccccccccccccccccccccccsesssecstecesesecsteseecetesessseseeeeesseees 81.4.3 Giản đồ bức xạ và øóc bức xạ của anfen - -c sec ccc+ccssscss+ 81.4.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích ¿55c 131.4.5 Công suất bức xạ dang hướng tương đương -scscscscsec: 14

14.6 Tính phân cực của anfen - c1 11111111 xxx xxx 14

1.4.7 — Dai tần của an(en + Sc CS t1 E111 11111511118 HH 1414.8 Các hệ thống anfen ST St 121111181 1111511 truy 14CHƯƠNG 2 ANTEN VI DÁ Ì 5<< 5° 5< <EeEeSeeveEvsessseersseereeree 19

2.1 Cau tạo và nguyên lý hoạt động anten vi đải 5-5 cccscsrsrerex2 192.1.1 Cấu tạo anfen vi đải s: 2c 2122222222212 E.errrrrd 19

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh i CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 8

2.1.2 Nguyên lý hoạt động anten Vi đải -c- 22-2222 <c << s++ 242.2 Tinh phân cực anten vi đải c2 22212112111 11111 111111111111 111 111% 262.3 Bang thông anten Vi dải c2 22 111112111111 1111111111111 11 111111111 ky 28

2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten Vi đải +5 +s+sssxcxsx2 282.5 Nhược điểm anten vi dai và hướng phát triỂn - ¿5c sec eee eeeee 29CHUONG 3 ANTEN KHE VI ĐÁ | 5- 5< <5 <E<ekeeketeeksetsree 30

3.1 _ Cấu tạo và phương pháp phân tích anten khe Vi đải ¿5s s52 303.1.1 Cấu đạO 220 2212221212212 1H ưn 30

3.1.2 Phuong pháp phân tích - - 1 2211111111111 sea 34

3.1.2.1 Phân tích sap XỈ : TS v TT EEEEE SE HE HH HH Hiền 35

3.1.2.2 Su phân cực của trường fừỪ - - - cece eset vào 363.1.2.3 Bước sóng khe đẫn - - St Tà SS1E 11151811 11181 81x rà 363.1.3 Công thức dang mẫu - tk E11 E1 E111 HH 37

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh ii CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 9

4.3.2 Tro kháng đặc trưng 2 S222 S2S se se 50

4.3.3 Bước sóng trên đường truyén Vi dai 2 - ¿5+ + sec sE cv kerrrrxeg 52CHƯƠNG 5: MO PHONG VA KET QUÁ THỰC NGHIỆM 55

` 01 5 55

5.2 _ Kết quả mô phon ceecccccccececscseeecevsesesveceesecceesvsseveveveesiessvesereevsvess 56

5.3 _ Thi công và dO ạc -.cc cọ nọ cesses nh nh nhe nhe 64

PHAN II KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN ĐÈ TÀI 68CHƯƠNG 6: KET LUẬN VÀ HUONG PHÁT TRIÈN 69

6.1 Kết luận ST THỰ HH HH ng ngài 696.2 Hướng phat triển dé tài + 22T S111 E11 1E HH HH tiến 70TÀI LIEU THAM KH ẢOO 2 5 << 5° < S2 S2 5€ SE S2 s5 S2 Ess£ess 71

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh iti CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 10

DANH SÁCH HINH VE

Chương 1:

Hình 0.1: Anten như một thiết bị truyền sóng ¿+ 2k Sx+EEEEEEEE+EEEEEEErrrrree 2Hình 1.2: Mạch tương đương cho hệ thong anten 5+ x23 E2keEvE+E£xsE re: 6

Hình 1.3: Các vùng trường của một anfen - - - c2 2c S111 111v xxx 2 xkg 9

Hình 1.4: Hệ thống tọa độ dé phân tính đặc tính bức xạ của anten - 10Hình 1.5: Đồ thị phương hướng trong toa độ CựC - - S21 kEEEEek te như 11Hình 1.6: Đồ thi phương hướng trong không gian 3 chiễu ¿52 xxx 12Hình 1.7: Đồ thị phương hướng trong toa độ 8ÓC ¿5ó 2c ct2E SE ren 12

Chương 2:

Hình 2.1: Cấu trúc của anten vi đải dang chữ nhật và dạng tròn 19Hình 2.2: Các hình dang của anten vi dai dang tâm - 5c c2 crrsek2 20Hình 2.3: Cau trúc anten dipole Vi đải - - c s E3 SxE5E111E 51 1111211121118 EE ri 21

Hình 2.4: Các hình dạng của anten vi dai sóng Chay ccccccccecccceeeeceeeeeeeeeeeeeeees 21

Hình 2.5: Tiếp điện bang cáp đồng trục - s11 S SE E111 11 1 kg He 22Hình 2.6: Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục -:-s s5: 23Hình 2.7: Tiếp điện bằng đường vi đải ST 3S 1E HH HH rrên 23Hình 2.8: Sơ đồ tương đương khi tiếp bang đường Vi đải eeeeeeeeeee eee 23Hình 2.9: Tiếp điện bằng ghép khe 1 S1 1 E111 131111 E11EEE1115111211111111x 1 ek 24Hình 2.10: Sơ đỗ tương đương tiếp điện bằng ghép khe 2 5c 22x+z£zze 24

Hình 2.11: Trường bức xạ E và H của anten vi đảiI ccccccs‡‡‡+ +2 25

Hình 2.12: Tiếp điện bang 1 đường Vi đải - - - S1 t1 2121511111511 26Hình 2.13: Đồ thì bức xạ 3 chiỂu 5-5: 222222212222112212112112121 2e 26Hình 2.14: Tiếp điện bang 2 đường vi dải vào hai cạnh của anten - 27Hình 2.15: Đồ thị bức xạ 3 chiỂu 5-5 222122 2212222112212112112121 2e 28

Chương 3Hình 3.1: Khe vi dat cơ bản -.- c2 111111111 111111111 21102111 1111 11kg hệu 30

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh iv CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 11

Hình 3.2: Trường điện và trường từ trên khe vi đải cccccc‡ +2 3lHình 3.3: Cac dạng cơ bản của anten khe mạch dải - - + 5c ‡c‡‡‡+‡++++* +2 3l

Hình 3.4: Anten khe vi dai được đặt một mặt phản xa dé tránh bức xa lưỡng hướng 31Hình 3.5: Cap nguồn đường vi dai ngắn mạch - 2 2S n1 11215111511 Eetet 33Hình 3.7: Cap nguồn lệch khe va xiên khe - 5c 1 SE S211121 1111211111511 33Hình 3.8: Ba phương pháp cấp nguồn đối với anten khe vòng (CPW, đường vi dai

và khe dẫn sóng) - - -cSc 11t 1E 1115111111111 E111 2111011011511 Hx TH HE HH Hi 34Hình 3.9: Trường điện E@ của SÏOf - E2 222011111 11221 1111111111111 1n ng kn 35

Hình 3.10: Dạng đồ thị bức xạ của anten khe vi đải 22 2n Sang SE trxsse2 41Hình 3.11: Dang anten khe cap nguồn băng đường vi dai với mat phang phan xa dé

đạt được bức xạ đơn hướng - - eee 1 1111111101111 10111110111 111v eee scene y2 kg 41

Hình 3.12: anten khe vòng với cập nguôn bang đường Vi đải - sen 42

Chương 4

Hình 4.1: Mặt trên (mặt ground) của anten gồm khe tròn và hai khe dạng chữ T 46Hình 4.2: Mặt dưới (đường cấp nguồn vi dai) anten khe - ¿5c cv csrsre 47Hình 4.3: Thay đổi giá tri lm để phối hợp trở kháng cho anten - +2 s55: 47Hình 4.4: Hình dạng đường truyền vi dai và mô hình dẫn sóng phang tương ứng 50

Chương 5

Hình 5.1: Hệ số phản xạ S11 của anten mô phỏng 5+ +2 xeE£E£+E£E+vEree: 56Hình 5.2: Hệ số phản xa S11 tại tần số cộng hưởng 2.4 GHz cccc sen 56Hình 5.3: Hệ số phản xạ S11 tại dai tần 5 GHz - ST TS 1E geh 57Hình 5.4: Đồ thi bức xa dang 3D ở tần số 2.455 Ghz 5c cty 58Hình 5.5: Đồ thi bức xa dang 3D ở tần số 5.215 Ghz 5c cv SE: 59Hình 5.6: Đồ thi bức xa dang 3D ở tần số 5.885 Ghz 5 St SE ri 60Hình 5.7: Giản đô bức xạ ở 2.455 GHZ cccccccecceceeteeseeesseseeseseesseeseeeeneetseneeeesneneeees 61Hình 5.8: Giản đô bức xạ ở 5.215 GÌhZ ¿2-5252 22 2152112112112111 21kg 61Hình 5.9: Giản đô bức xạ ở 5.885 GÌhz 1: 52 2221221211221 62Hình 5.10: Giản đồ độ lợi IEEE ở 2.455 GHz - 2-25: Sc2222xsEzEstrsrrekrerreg 63Hình 5.11: Giản đồ độ lợi IEEE ở 5.215 GHz ¿- 552 5c25+22++E2£tstsrrzrrsrreg 63

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh v CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 12

Hình 5.12: Giản đồ độ lợi IEEE ở 5.885 GHz 552522222 sE2Estrsrrekrsrreg 64

Hình 5.13: Anten sau khi thi CONG - -.- 2c 22222222112 111 1111515111515 111111 11111 65

Hình 5.14: Đồ thị S11 của anten trong thực nghiệm tại tần số 2.4GHz 66Hình 5.15 a và b: Đồ thị S11 của anten trong thực nghiệm tại tần số 5GHz 68

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh vi CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 13

DANH SÁCH BIEU BANGBảng 1.1: Quy ước về các dai tan số c S1 SE E111 21211118 krg 18Bảng 2.1: So sánh ưu va khuyết điểm anten patch và khe vi đải 43Bảng 5.1: Kích thước chi tiẾt anten 5 2+ SE SE E311 SE EE E111 111111811 E pro 55

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh vii CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 14

CÁC CHỮ VIET TAT

WLAN: Wireless Local Area NetworkHPBW: Half Power BeamwidthEIRP: Equivalent Isotropically Radiated PowerFDTD: Finite-Difference Time-Domain

CPW: Coplanar WaveguideCST: Computer Simulation Technology

HVTH: Nguyễn Vinh Thanh viii CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 15

PHAN I

LY THUYET CO SO

HVTH: Nguyén Vinh Thanh 1 CBHD: TS Phan Hồng Phương

Trang 16

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYET GIẢI QUYẾT VAN DE

1.1 Ly thuyết chung về antenAntenna là một bộ chuyển đổi dòng điện di chuyển ở tần số cao thành sóng điệntừ, hoặc ngược lại chuyển sóng điện từ thành dòng điện xoay chiều Antenna có thểđược dùng dé bức xạ năng lượng ra không gian, hoặc nhận năng lượng từ không gian.Antenna và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò thiết bị ghép giữa các mạch điện tử vàkhông khí Cac antenna tiếp xúc trực tiếp với không gian bên ngoài con feeder (bộ phậncấp nguồn) là bộ phận giao tiếp giữa antenna với mạch điện tử Ngõ vào của feederphải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phátqua feeder và bức xạ ra không gian như thé hiện trong hình 1.1:

eae

Hình 1.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [3]

HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 2 CBHD: TS Phan Hồng Phương

Trang 17

1.2 Hệ phương trình Maxwell

Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện

động lực học: các phương trình Maxwell.

Trong phan này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà

theo thời gian, nghĩa là có thể biểu điễn qui luật sin, cos đưới dang phức đ ““

E =Re(EeTM ) = E cos(ot) (1.1a)

hoặc E = Im(Ee”’) = Esin(at) (1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dang vi phân được viết đưới dang:

rotH = ioe ,E + J (1.2a)

8„= dụ : ¬ (1.3) (hệ số điện thẩm phức của môi trường)

¢ : hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m)

Trang 18

u : hệ số từ thâm của môi trường (H/m)ơ : điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

—= x "Nn ^ Lá ° ^ ^ ` ` AJ* là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( ——)

Hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết lại như sau:

rotH =iwe ,E + J1 (1.4a)rote =ieouH — J” (1.4b)

divE = 2 (1.4c)

8

divH = " (144)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H Trong phương trình

nghiệm sé cho chung ta biết nguồn gốc sinh ra E, H va cách thức lan truyền

Trang 19

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặctừ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉxảy ra trong những điều kiện nhất định

Để ví du ta xét một mach dao động thông số tập trung LC, có kích thước rat nhỏso với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không giancủa tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽphát sinh từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bịràng buộc với các phân tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảngkhông gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong mét thé tích nhỏ trong

lòng cuộn cảm.

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạora điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điệntrường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá xa sovới nguôn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguôn, nghĩa là các đường sức điện sẽ

không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong

không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo qui luật của điện trường biếnthiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đối lại tiếp

tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ.

Phan năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự dođược gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràng

buộc với nguôn gọi là năng lượng vô công.

Trang 20

1.4 Các thông số cơ bản của anten

Trong thực tê, một anten bat ky đêu có các thông sô về điện cơ bản sau đây:Trở kháng vào

Hiệu suât

Hệ số định hướng và độ tăng ích.Đồ thị phương hướng

Công suất bức xạ dang hướng tương đương

Tính phân cựcDai tân của anten.1.4.1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten Z, bao gôm cả phan thực và phan kháng là tỷ số giữa

điện áp U, đặt vào anten và dòng điện I, trong anten.

SUINGING wa

Hình 1.2: Mạch tương đương cho hệ thống anten [3]

Trang 21

U |

Z,=-4=R, + 5X, (1.5)

A

Với Ra=R +R,Trở khang vào cua anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học cua

anten va trong một số trường hop còn phụ thuộc vao vật đặt gần anten

Thành phần thực của trở kháng vào Ra được xác định bởi công suất đặt vào anten

Pa và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten lạ,

R.= + (1.6)

Thành phân kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phânbố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp

cụ thé có thê tính toán theo các biêu thức của đường dây truyện sóng.

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định, vì vậy để có thểtruyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa

đâu ra may phát va đầu vào của anten.

Khi anten được kết nối với một đoạn cable, nếu trở kháng đầu vào của antentrùng khớp với trở kháng của radio và đường truyén thì tổng công suất được truyền từradio đến anten là tối đa Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một ít năng

lượng sẽ bi phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được truyền đi đến anten Tỷ

số sóng đứng điện áp (VSWR = Voltage Standing Wave Ratio) mô tả sự phản xạ này.Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ băng 1 Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽcàng nhiều Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểmnhư khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyện, trong trường hop tôi tệ nhất, nó có

thê băn ra tia lửa điện Tuy nhiên, tình huông này sẽ không xảy ra nêu công suât sử

HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 7 CBHD: TS Phan Hồng Phuong

Trang 22

dụng thấp khi triển khai mạng WLAN.

1.4.2 Hiệu suất của antenAnten được xem như là thiết bị chuyển đồi năng lượng, do đó một thông số quantrọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten 7, chính là ty sỐ giữa công

suât bức xạ Py„ và công suât may phat đưa vào Pa

Pix=—— 1.Ns P, (1.7)

Hiệu suât của anten đặc trưng cho mức tôn hao công suât trong anten Đôi với

anten có tốn hao thì Pụ, < P,z¿ do đó n, <1 Gọi công suất ton hao là Pạ,

Na

1.4.3 Gian do bức xa và góc bức xa của anten

Gian đồ bức xa của anten được định nghĩa “là một hàm toán học hay sự thé hiện

đồ bang đồ thị các đặc tinh bức xa của anten và là ham của các tọa độ không gian” Khi

xét giản đồ bức xạ bao gôm ba trường hợp là trường gan tác động trở lại, trường bức xa

Trang 23

gan va trường xa như hình 1.3.

Hình 1.3: Các vùng trường của một anten [3]

e Trường gan bức xạ trở lại: là phần không gian gan trường gan trực tiếp bao

quanh anten Biên của trường nay được tính tại khoảng cach

R<0.62¥ D* +/ tính từ mặt phẳng anten, với A là bước sóng và D là đườngkính lớn nhất của anten

e Truong gan bức xạ: là phan không gian năm giữa trường gân tác động trở lại

và trường xa Biên trong của trường này được tính R>0.62V¥ D* +A và biên

ngoài R<2ĐÝ +4

e Trường xa: tôn tại ở khoảng cách R>2D? +A và biên ngoài ở vô cực Trongvùng trường xa, dạng đồ thị bức xạ hầu như không thay đồi khi dịch chuyển

diém quan sát ra xa dân.

Trong hau hết trường hợp ta chỉ xét giản đồ bức xạ ở trường xa Đặc tính bức xa

Trang 24

là sự phân bố năng lượng bức xa trong không gian hai chiều hoặc ba chiều, sự phân bồđó là hàm của vi tri quan sat dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính khôngđổi Hệ tọa độ thường được sử dụng dé thé hiện trường bức xạ trong hình 1.4

Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phan tính đặc tính bức xạ của anten [3]

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn đơn giản bằng biểu đồ 2D Thông thường chỉquan tâm giản đô là hàm của một biến @ hoặc 6 với vài giá trị đặc biệt của biến còn lạilà đủ để đưa hầu hết các thông tin cần thiết về đặc tính bức xa của anten

Giản đồ hướng tính:

Hướng tính của anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác định

tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết mật độ côngsuất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách đồng dạng Hướngtính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn đượcđặc trưng bởi dé thị phương hướng của anten

Trang 25

Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trịtương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảngcách băng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các

phương của diém xem xét.

Hình 1.5 Đồ thị phương hướng trong toa độ cực [3]

Trang 26

-LAN Ayr ed

Hình 1.7 Đồ thi phương hướng trong toa độ góc [3]Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một nhưvậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phươnghướng của các anten khác nhau Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten códang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc

Trang 27

0) và mặt phẳng đứng góc (Ô).

Trường bức xạ biến đổi từ gia tri cực đại đến giá trị bé, có thê bằng không theo

sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau Để đánh giá dạng của đô thịphương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay cònøọI là góc bức xạ Góc bức xạ được xác định bởi góc nam giữa hai bán kính vector cógiá trị bang 0.5 công suất cực dai, cũng vì vậy ma góc bức xạ còn được gọi là góc mởnửa công suất (HPBW)

1.4.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng íchNhư đã biết anten có rat nhiều loại và dé so sánh giữa các anten với nhau ngườita đưa vào thông số hệ số định hướng và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi).Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một

điêm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuân)

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất 7, = 1, và năng lượng bức xạ đồng đềutheo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguôn bức xạ vô hướng hoặc là

một chân tử đôi xứng nửa bước sóng.

Hệ số định hướng của anten D(0,o) là số lần phải tăng công suất bức xạ khichuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) dé sao cho vẫn giữnguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (9,0) nao đó

_ P(,,ø)_ Eˆ(0,ø,)

(,.,Ø, ) = P.(0) E2(0) (1.11)

Trong đó:

D(6,,ø, ) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (6,,¢, ):

Trang 28

Pbx (6,,ø,) và Pbx (0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng vớihướng (6,,¢, ) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.

E(6,,ø,), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(6,,ø,) lần công suất bức xạ P,,(0) của antenvô hướng để có được trường bức xa tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(0,,¢, )

Hệ số tăng ich của anten G(,o) chính là số lần cân thiết phải tăng công suất dựavào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng dé saocho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (0,9)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tinhbức xạ và hiệu suất của anten Từ (1.12) có thê thay hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ sốđịnh hướng Nếu ta biết tăng ich của anten trong dai tần xác định ta có thé tính được P,,

theo công thức sau:

Đơn vị dùng dé biểu diễn hệ số tăng ich có thé là dBi (độ lợi tính theo dB củaanten đăng hướng) hay dBd (độ lợi dB của anten half-wave dipole) Dé chuyển đổi giữadBd và dBi thì ta chỉ can cộng thêm 2.2 vào độ lợi dBd dé có được độ lợi dBi Việc ghinhớ quy ước nay là quan trọng bởi vi mặc dù hau hết các nhà sản xuất đều biểu diễn độlợi theo dBi nhưng một số khác lại biểu diễn theo dBd

1.4.5 Công suất bức xạ dang hướng tương đươngTrong một số hệ thống truyền tin vô tuyên vi dụ như thông tin vệ tinh, công suấtbức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xa

Trang 29

đăng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP

1.4.6 Tinh phần cực của anten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vectorE,H có biên độ và pha biến đối Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giávà xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thé là, hình chiếu của điểm đầumút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phăng vuông gócvới phương truyén lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình trònthì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thắng thì là phân cực tuyến tình Trongtrường hợp tổng quát thi dang elip là dang tổng quát còn phân cực tuyến tinh và tròn

chỉ là trường hợp riêng.

Tuy vào ứng dụng mà người ta chon dang phân cực Ví dụ dé truyén lan hoac

thu sóng mặt dat thường sử dung anten phân cực thang đứng bởi vi tổn hao thành phanthăng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiêu so với thành phần năm ngang.Hoặc đề phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngangbởi vi tôn hao thành phan ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phan đứng

Trang 30

Hau hết các anten trên thị trường WLAN đều sử dụng phân cực tuyến tính, cóthé theo chiều ngang (phân cực ngang) hoặc theo chiều dọc (phân cực dọc) Nếu theochiều ngang thi vector trường điện sẽ nằm trên một mặt phăng thang đứng, nếu theochiều doc thì vector trường điện năm trên mặt phẳng năm ngang Phân cực doc là phổbién hơn mặc dù đôi khi phân cực ngang lại hoạt động tốt hơn Mặc dù sẽ không phùhợp nếu sử dụng anten phân cực tròn cho kết nối trong nhà (indoor), nhưng nếu sửdụng wireless bridge thì có thể dùng anten phân cực tròn Cũng giống như anten phâncực tuyến tính, anten phân cực vòng cũng có 2 trường hop: Phân cực tay trái và phâncực tay phải Nếu như vector trường điện quay theo chiều kim đồng hồ khi nó tiến gầnđến bạn thì được gọi là phân cực tay trái Tương tự, nếu vector quay ngược kim đồnghô thì gọi là phân cực tay phải Anten phân cực vòng là bat biến (hoặc là phân cực trái,hoặc là phân cực phải) khi nó quay, trong khi anten phân cực tuyến tính có thé chuyển

từ phân cực ngang thành phân cực dọc khi nó quay.

1.4.7 Dai tan của antenDai tan của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten

nhận các giá tri trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mức nửa công

suất Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn của anten thì việc lệch chuẩn đó làm

giảm công suất bức xa không quá 50% Các tần số trong dai tần của anten thường gọi làtần số công tác

Thường dai tan được phân làm 4 nhóm- Anten dai tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

MY 10% tứelà “9

0 min

<1.1

- Anten dai tan tương đối rộng

Trang 31

> Anten thông dung: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,

anten loga chu ky cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh.

> Tram tiép sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.> Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu

sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)

> Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.

Trang 32

Dai tân sôTên, ký hiệu Ứng dụng

3-3 KHz Very low Freq (VLF) Dao hàng, định vi

30-300 KHz Low Freq (LF) Pha v6 tuyén cho muc dich dao hang

300-3000 KHz | Medium Freq (MF) Phat thanh AM, hang hai, tram thong

tin duyén hai, tim kiém

3-30 MHz High Freq (HF) Điện thoại, điện bao, phat thanh sóng

ngăn, hàng hải, hàng không

30-300 MHz Very High Freq (VHF) TV, phat thanh FM, diéu khién giao

thông, cảnh sat, taxi, đạo hang

300-3000 MHz | Ultra High Freq (UHF) Tivi, thong tin vé tinh, do tham, radar

3-30 GHz Super High Freq (SHF) Hàng không, vi ba, thông tin di động

30-300 GHz Extremly High Freq (EHF) | Radar, nghiên cứu khoa hoc

Bang 1.1: Quy ước về các dai tân sô

Trang 33

CHƯƠNG 2

ANTEN VIDẢI2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dảiLý thuyết phát xạ trên cấu trúc vi đải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởiDeschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vàothực tế Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell vàMunson Với những lợi điểm của mình như nhỏ gon, gia thành thap, dé chế tao, và đặcbiệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten vi dải cho đến nayngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động,WLAN, hệ thống anten thông minh

2.1.1 Cấu tạoAnten vi dai bản chất là một kết câu bức xạ kiểu khe Mỗi phan tử anten vi daigôm có các phan chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộphận tiếp điện Phién kim loại được găn trên lớp dé điện môi tạo nên một kết cầu tương

tự như một mang của mạch in, vi thê anten vi dai còn có tên là là anten mach in.

Hình 2.1: Cấu trúc của anten vi dai dang chữ nhật va dạng tròn [3]

Trang 34

Cac thông sô câu trúc cơ ban của anten vi dai là chiêu dài L, chiêu rộng W, độdày chât nên h, hăng sô điện môi e, và thông sô ít ảnh hưởng khác độ dày lớp dẫn điện

t.

Tuy thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau Có 4 dạng

cơ bản anten vi dải:

> Anten vi dai dạng tâm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tâm dẫn điệnở trên một phía của tấm điện môi Tắm dẫn điện khá đa dang, có thể là hình vuông,

hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hay hình tam giác, hình vòng nhẫn

ở cả 2 phía của tâm điện môi.

Trang 35

hI L& ZL ——

Twin Lead Transmission Line

Hình 2.3: Cau tric anten dipole vi dai [4].> Anten khe vi dai (Printed Slot Antenna), gồm có khe hep ở trên mặtphăng dat Khe hep nay có thé bat cứ hình dang gi tuy nhiên thông thường là dang hìnhchữ nhật, hình nón, hình khuyên Chỉ tiết sẽ được giới thiệu ở chương 3

> Anten vi dai sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna), g6m cácđoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tam điện môi

—=BS—_Ð B Ð 8._—=

Hinh 2.4: Cac hinh dang cua anten vi dai song chay [4].

Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten vi dai: dùng cap đồng trục, đường vi dai

Trang 36

và ghép khe.

> Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phăng đất lên tiếp xúc với tâm dẫn điện.Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tâm dẫn điện.Nếu tiếp điện ở tâm của tâm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào băng không Có thể tínhtoạ độ tiếp điểm theo công thức sau [4]:

W

X,=——— (22)

2Je„0)Với

Eo 2.3)

; ao

~ r

+f L 2d—t-2p

t

h K2

|

Hình 2.5: Tiếp điện bang cáp đồng trục [4]

Trang 37

tín hiệu vào từ công 50 Q tới trở kháng vào của anten.

Feed Line Step x

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương khi tiếp băng đường vi dai [4]

Trang 38

> Tiếp điện băng ghép khe dùng trong trường hop phối hợp dải rộng Taghép giữa đường vi dai 50 Q với trở kháng vào của anten băng khoảng cách s Khoảngcách này sẽ như là thành phan điện dung C.

CouplingGap

Feed Line ki

ị Microstrip

Patch W

_ F£“S—— L -_ —

-Hình 2.9: Tiếp điện bằng ghép khe [4]

Patch

| TT] MicrostripFeed Line L Li |Hình 2.10: Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe [4]

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dai

Sóng điện từ fring off từ tam phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản xatrên mặt phăng đất và bức xạ vào không gian phía trên Trường bức xạ xảy ra chủ yếudo trường giữa tâm phẳng phía trên và mặt phang dat

Trang 39

Hình 2.11: Trường bức xạ E và H của anten vi dai [3].

Phụ thuộc vao từng cau trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc vi daiphăng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng Nếu cấutrúc sử dụng như một anten thì hau hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng khônggian Còn nếu câu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trongống dẫn sóng Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao không mong muốn nhưng đôi khi vẫn

có những ứng dụng sử dụng loại sóng này như leaky antenna.

e Song không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại Nhữngsóng nay có thé bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng cách 1/r Trong câu trúc vi daithì sóng không gian chỉ tổn tai ở nửa trên vì màn chắn kim loại đã ngăn không cho bứcxạ xuống không gian phía dưới

e Sóng trong ông dan sóng là sóng tôn tại trong lớp dé điện môi giữa man chandẫn điện và phiến kim loại

e Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chăn kim loạitheo góc nhỏ hơn góc tới hạn Sau khi phản xạ từ màn chăn, một bộ phận của sóng sẽ

khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi — không khí, khiến cho một phan năng lượng rò ra

khỏi lớp điện môi.

e Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt và bêntrong lớp điện môi Chúng được phản xạ toàn phan tại mặt giới hạn điện môi — khôngkhí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong sợi cáp quang

Trang 40

2.2 Tính phân cực của anten vi dải

Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định,nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện Tuy vào mục dich sử dung mà ta có thể tạora các trường bức xạ phân cực thăng hoặc phân cực tròn băng cách sử dụng các biện