Thiết kế patch anten 2 4 GHz sử dụng trong WLAN

TRƯỜNG ðẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ o0o -BỘ MÔN ðIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ðẠI HỌC THIẾT KẾ PATCH ANTEN 2.4GHz SỬ DỤNG TRONG WLAN SV thực hiện: Lê Hoàng Thân Giáo viên hướng dẫn: MSSV: 1050973 TS Lương Vinh Quốc Danh Lớp: ðiện Tử Viễn Thông K31 Cần Thơ, Tháng 05/2009 LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2005-2009) trường ðại học Cần Thơ, với giúp ñỡ quý thầy cô giáo viên hướng dẫn mặt từ nhiều phía thời gian thực ñề tài, nên em ñã thực xong ñề tài ñúng thời gian qui ñịnh Em xin chân thành gửi lời cảm ơn ñến: Bộ môn ðiện Tử Viễn Thông tất quý thầy cô ñã tận tình giảng dạy kiến thức quý báu kiến thức chuyên ngành ñể em ứng dụng kiến thức ñó làm sở ñể thực ñề tài ðặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS Lương Vinh Quốc Danh, thầy ñã ñưa ñề tài, hướng dẫn, nhiệt tình giúp ñỡ cho em ý kiến quý báu ñể em ñịnh hướng giải khó khăn lúc thực ñề tài Bên cạnh ñó, em xin gửi lời cảm ơn ñến thầy Trần Hữu Danh ñã ñóng góp ý kiến giúp ñỡ em tài liệu tham khảo ñể em hoàn thành ñề tài tốt Tôi xin cảm ơn bạn lớp ðiện Tử khóa 31 ñã ñóng góp nhiều ý kiến có ích lời ñộng viên ñể hoàn thành ñề tài, thực xong luận văn tốt nghệp Cần Thơ, tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực Lê Hoàng Thân NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2009 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2009 Giáo viên phản biện TÓM TẮT Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế, mô chế tạo anten vi dải sử dụng mạch in FR-4 có số ñiện môi 4.4 ñộ dày 1.7mm hoạt ñộng tần số 2.4 GHz Anten ñược sử dụng cho thiết bị di ñộng hoạt ñộng dãy tần WLAN (Wireless Local Area Network) ðể chế tạo ñược anten yêu cầu ta phải tìm hiểu lý thuyết anten, sau ñó tính toán thông số anten vi dải, tiến hành thiết kế mô anten phần mềm hỗ trợ Ansoft HFSS cuối thiết kế anten thật, ño ñạc lại thông số dụng cụ, so sánh với kết mô ñiều chỉnh lại anten ñể ñưa anten tối ưu Tuy cố gắng ñể thiết kế anten có tính ñịnh hướng tốt ñộ lợi cao ñiều kiện nước ta chưa có mạch in có số ñiện môi nhỏ nước khác giới nên chưa thể thiết kế ñược anten hoàn hảo cho WLAN TỪ KHÓA Microstrip Patch Antenna Antenna DLink 12 dBi’s Sectorial Ant24-1400 WLAN Antenna Modern Antenna Design High-Frequency Printed Circuit FR4 Printed Circuit Board Ansoft HFSS LỜI MỞ ðẦU Do phát triển công nghệ không dây nên hầu hết thiết bị di ñộng cố ñịnh ñều có hệ thống anten ñể tiếp nhận trao ñổi thông tin Sự ña dạng thiết bị dùng công nghệ không dây dẫn ñến ña dạng loại anten dùng thiết bị anten dipole, anten patch, anten yagi, anten omnidirectional, anten dish,…Nhưng phạm vi ñề tài nghiên cứu thiết kế microstrip patch antenna (anten patch vi dải) hoạt ñộng tần số 2.4GHz ñể sử dụng cho WLAN Anten ñã ñược nhiều người giới chế tạo ñưa vào ứng dụng, họ thiết kế với mạch in có số ñiện môi nhỏ (hằng số ñiện môi khoảng 1.5-2.2) Còn nước ta có loại mạch in có số ñiện môi 4.4 sử dụng siêu cao tần Do ñó anten ñược thiết kế có tính ñịnh hướng ñộ lợi không tốt anten ñã ñược thiết kế trước ñó Nội dung luận văn gồm có chương: Chương 1: Tổng quan Chương nói lên bối cảnh xuất ñề tài, nội dung ñược ñặt cần giải quyết, phạm vi ñề tài, phương pháp nghiên cứu hướng giải vấn ñề ñặt Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương ñề cập tới lý thuyết anten, thông số anten hệ số ñịnh hướng, hệ số tăng ích, ñộ lợi , dạng xạ, công suất xạ anten,…Trong chương trình bày cách anten vi dải như: cấu trúc anten vi dải, kỹ thuật tiếp ñiện, hoạt ñộng, tính phân cực, phương pháp phân tích, ưu nhược ñiểm anten vi dải,… Chương 3: Nội dung kết nhiên cứu Trình bày bước tiến hành thiết kế anten thực tế từ khâu tính toán thông số anten, thiết kế mô hình anten Ansoft HFSS, tiến hành thu kết mô cho ñến khâu thiết kế anten thực tế, so sánh kết mô với kết thực tế tối ưu hóa anten Cuối ñưa anten tối ưu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 ðẶT VẤN ðỀ Thông tin vô tuyến hệ xuất làm ña dạng chuẩn, dịch vụ thiết bị truyền thông, tất ñều cạnh tranh phát triển Trước hết thiết bị vô tuyến cần phải có anten ñể thu phát tín hiệu, có ba vấn ñề việc nghiên cứu phát triển anten ñể ñáp ứng ñược nhu cầu hệ thống truyền thông ñại ñó là: giảm nhỏ kích thước, hoạt ñộng băng rộng hay ña băng khả ñiểu khiển ñồ thị phương hướng sóng thích hợp Xu hướng thứ tiểu hình hoá anten Các thiết bị truyền thông ngày trở lên nhỏ gọn nhờ phát triển công nghệ vi ñiện tử Anten trở thành phần quan trọng việc tích hợp vào thiết bị, dẫn ñến kết cần phải giảm nhỏ kích thước anten Tuy nhiên việc giảm nhỏ kích thước anten cần phải không làm ảnh hưởng ñáng kể ñến ñộ tăng ích hiệu suất xạ ñây thách thức cần ñược giải Xu hướng thứ hai anten băng rộng ña băng Với xu hướng tích hợp ña dịch vụ ngày tăng, anten cần phải hỗ trợ hai hay nhiều dịch vụ vô tuyến thông qua dải tần rộng Do ñó anten ña băng băng rộng ñang ñược phát triển ñể ñáp ứng ñược nhu cầu Xu hướng thứ ba dùng anten mảng, phát triển tảng lý thuyết công nghệ ñể nâng cao hiệu suất xạ Sự hợp anten ña băng, băng rộng mảng phục vụ cách ña dạng ứng dụng, dịch vụ ngược lại vấp phải nhiều thách thức việc việc thiết kế chế tạo Nhu cầu kết nối mạng vô tuyến nội hạt (WLAN) lớn Việc thiết kế anten ñể ñáp ứng nhu cầu thiết bị ñược quan tâm nhiều Một loại anten ñáp ứng yêu cầu anten vi dải Anten vi dải có kích thước nhỏ gọn, ñiều khiển phương hướng sóng giá thành sản xuất rẻ Nhiệm vụ ñề tài sử dụng mạch in FR4 ñể thiết kế anten vi dải sử dụng cho WLAN I.2 LỊCH SỬ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI Anten vi dải hoạt ñộng tần số 2.4 GHz ñã ñược thiết kế ñưa vào sản suất với số lượng lớn giới Tuy nhiên giá thành anten cao Tấm mạch in mà họ dùng ñể thiết kế anten có số ñiện môi khoảng 1,5 ñến 2,2 Ở nước ta sản xuất loại mạch in nên dùng mạch in FR4 có số ñiện môi 4,4 ñể thiết kế Trước ñây, sinh viên khóa 30 ñã thiết kế loại anten dùng mạch in thông thường nên kết ñạt ñược ý muốn như: tần số hoạt ñộng chưa xác, băng thông hẹp ñộ ñịnh hướng không tốt I.3 PHẠM VI CỦA ðỀ TÀI Phạm vi ñề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế ñưa sản phẩm anten hoạt ñộng tần số 2.4 GHz thực tế Anten có tính ñịnh hướng tốt ñộ lợi ñạt ñược khoảng 8-9dBi I.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tập trung nghiên cứu tìm hiểu anten vi dải Tìm hiểu kỹ thông số ñặc trưng anten vi dải Từ ñó tính toán thông số anten cần thiết kế Sau có ñược thông số anten, tiến hành thiết kế mô hình anten phần mềm Ansoft HFSS mô phỏng, xem xét kết ñiều chỉnh lại thông số cho ñạt yêu cầu Tiếp theo dùng mạch in FR4 ñể thiết kế anten thực tế Sử dụng dụng cụ ño ñạc, thu kết so sánh với kết ñạt ñược mô Cuối ñiều chỉnh lại kích thước thông số anten thực tế ñể ñáp ứng ñược yêu cầu ñặt CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1 LÝ THUYẾT ANTEN II.1.1 Khái niệm Anten Anten hệ thống cho phép truyền nhận lượng trường ñiện từ Anten ñược xem thiết bị dùng ñể truyền lượng trường ñiện từ máy phát máy thu mà không cần phương tiện truyền dẫn tập trung cáp ñồng, ống dẫn sóng sợi quang Anten cấu trúc ñược làm từ vật liệu dẫn ñiện tốt, ñược thiết kế theo hình dạng kích thước ñể xạ sóng ñiện từ theo kiểu ñịnh có hiệu Cũng xem anten chuyển ñổi ñược thiết kế ñể phát thu sóng ñiện từ Anten biến ñổi dòng ñiện thành dòng ñiện ngược lại Anten hoạt ñộng theo nguyên tắc: dòng ñiện thay ñổi bề mặt anten làm cho anten xạ sóng ñiện từ anten phát Sóng ñiện từ nhận ñược bề mặt anten tạo dòng ñiện thay ñổi anten nhận Trong nhiều áp dụng, anten cạnh tranh với phương tiện truyền dẫn khác ñể phát chuyển tải lượng trường ñiện từ Thông thường suy hao trường ñiện từ vật liệu tăng nhanh theo tần số ðiều ñược hiểu ngầm rằng, tần số tăng việc dùng phần dẫn sóng vật liệu thuyết phục hiệu việc chuyển tải lượng trường ñiện từ Do ñó, anten ñược ưa chuộng việc chuyển tải trường ñiện từ tần số cao II.1.2 Sự xạ sóng ñiện từ Bức xạ ñiện từ kết hợp dao ñộng ñiện trường từ trường vuông góc với nhau, lan truyền không gian theo dạng sóng Khi lan truyền sóng ñiện từ mang theo lượng thông tin Theo lý thuyết, hệ thống ñiện từ có khả tạo ñiện trường từ trường biến thiên ñều có xạ sóng ñiện từ Nhưng thực tế xạ xảy ñiều kiện ñịnh Khi cung cấp dòng ñiện xoay chiều có tần số cao cho vật liệu kim loại có hình dạng khác mẫu kim loại ñó tạo sóng ñiện từ phát không gian xung quanh theo hướng Sóng ñiện từ truyền từ nguồn qua ñường truyền sóng ñến anten anten xạ không gian Sóng ñiện từ lan truyền không gian quanh nguồn xạ mang theo lượng xác ñịnh ðộ lớn lượng xạ phụ thuộc vào ñộ lớn tầm số dòng ñiện kích thích anten, phụ thuộc cấu trúc anten tính chất môi trường xung quanh nguồn xạ II.1.3 Các thông số Anten Một anten thường ñược xét thông số ñặc trưng sau ñây: • Hệ số ñịnh hướng hệ số tăng ích • ðộ lợi • Dạng xạ • Công suất xạ • Sự phân cực • Hiệu suất anten • Trở kháng vào • Dải tần anten II.1.3.1 Hệ số ñịnh hướng hệ số tăng ích Hệ số ñịnh hướng anten ñược ñịnh nghĩa tỉ số cường ñộ xạ hướng cho trước cường ñộ xạ trung bình hướng Hệ số ñịnh hướng tiêu chuẩn chất lượng ñể ño tính chất ñịnh hướng anten so sánh với anten vô hướng Chú ý, ñối với anten cho trước, anten giả thuyết, xạ công suất với anten gốc hướng 10 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ KẾT LUẬN • Sau thiết kế, mô xem kết phần mềm Ansoft HFSS anten ñã ñạt ñược tiêu chuẩn cần thiết Tuy nhiên, chưa có công cụ ño ñạc thực tế nên xem ñược thông số kỹ thuật anten Do ñó chưa thể tối ưu hóa anten • Việc chế tạo anten theo phương pháp thủ công nên thành phần phối hợp trở kháng dải rộng có kích thước không xác thiết kế dẫn ñến sóng ñứng tăng ñường truyền vi dải , ñó công suất truyền thành phần xạ giảm ñi làm giảm ñộ sâu cộng hưởng • Lớp ñiện môi mạch in có số ñiện môi không xác 4.4 ñộ dày không 1.7mm nên tần số cộng hưởng bị dịch ñi, không xác 2.4GHz từ ñó làm giảm ñộ lợi thực tế anten ño ñạc • Việc mô anten chưa ñược tối ưu hóa ðỀ NGHỊ • Tối ưu hóa thông số ñược thiết lập Ansoft HFSS ñể thu ñược kết xác • Tìm cách tăng băng thông anten • Lựa chọn cách phối hợp trở kháng tiếp ñiện thích hợp ñể tối ưu ñược băng thông anten • Sử dụng thiết bị thực tế ñể ño ñạc thông số anten, so sánh kết mô với kết ño ñược thiết bị ñể thiết kế lại anten với thông số mong muốn kết giống với thực tế 72 PHỤ LỤC THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN TRONG ANSOFT HFSS v11.1 Thiết kế mẫu Anten Ansoft HFSS + Khởi ñộng Ansoft HFSS chọn File>New ñể tạo Project Hình P.1-Giao diện chương trình Ansoft HFSS + Thiết lập thông số như: ô lưới (View>Settings) , ñơn vị (Modeler>Units),… + Vẽ lớp Substrate, Nhôm (Ground Plane), Trường xạ theo cách sau: • Chọn Draw>Box chọn Draw Box công cụ Sau ñó hình hiển thị hình • Ở ô x, y, z ta lần lược nhập vào vị trí khối mà ta tạo sau ñó nhấn Enter 73 Hình P.2-Nhập vào tọa ñộ vị trí khối • Tiếp theo ta nhập vào kích thước khối mà ta tạo ô dX, dY, dZ • ðể qui ñịnh vật liệu cho khối mà ta vừa tạo, ta d_click vào khối mà ta vừa tạo ô bên trái cửa sổ Properties Ở Material ta chọn FR4_epoxy Ngoài Properties cho phép qui ñịnh thuộc tính như: tên (Name), màu (Color), ñộ suốt (Transparent) khối • Tương tự ta vẽ thêm khối xạ nhôm + Vẽ Patch Port Anten giống vẽ khối khác Nhưng ñây vẽ lớp nên ta chọn Draw Rectangle công cụ Sau ñó cách ñặt vị trí kích thước Patch tương tự vẽ khối + ðể qui ñịnh vật liệu Patch, Ground Plane, trường xạ, Port,… ta làm sau: 74 • Tấm Patch lớp ñồng: Ta chọn sau ñó chọn Patch Tiếp theo vào HFSS>Boundaries>Assign>Finite Conductivity, cửa sổ Finite Conductivity Boundary Ta check vào ô Use Material chọn vật liệu ñồng (Copper) Hình P.3-Qui ñịnh chất liệu cho Patch • Qui ñịnh nhôm tương tự copper • Qui ñịnh Ground Plane: Ta chọn theo mặt Sau ñó cửa sổ Select Face Ta chọn mặt nhôm Ground Plane Tiếp theo vào HFSS>Boundaries>Assign>Finite Conductivity, cửa sổ Finite Conductivity Boundary Lúc ta check ô Infinite Ground Plane • Qui ñịnh Trường xạ: Ta chọn theo mặt Sau ñó cửa sổ Select Face Ta chọn mặt (không bao gồm mặt phía nhôm khối xạ) Chọn HFSS>Boundaries>Assign>Radiation, cửa sổ Radiation Boundary ra, ta ñặt tên cho chọn OK 75 Hình P.4-Qui ñịnh trường xạ • Qui ñịnh Port: Ta chọn sau ñó chọn Port Tiếp theo vào HFSS>Excitations>Assign>Wave Port, cửa sổ Wave Port Tiếp theo ta ñặt thông số cho Port Hình P.5-ðặt thông số cho Port + Chia lưới cho trường xạ (Mesh Operations): Ta chọn khối trường xạ Sau ñó vào HFSS>Mesh Operations>Assign>On Selection> Length Based, hộp thoại Element Length Based Refinement Ta check vào dòng Restrict 76 Length of Elements khung Length of Elements ñể hạn chế ñộ dài mắt lưới Maximum Length of Elements ta thường chọn giá trị 1/10 giá trị bước sóng tần số mà ta thiết kế cho anten Hình P.6-Chia lưới cho trường xạ + Thiết lập phân tích (Analysis Setup) Vào HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup, hộp thoại Solution Setup (hình P.7) Ở ô Solution Frequency ta chọn 2.4GHz tần số hoạt ñộng anten mà ta thiết kế Ngoài số tùy chọn Tab: Options, Advanted, Defaults Tiếp theo ta chọn HFSS>Analysis Setup>Add Frequency Sweep, hộp thoại Edit Sweep (hình P.8) Ở ô Sweep Type ta chọn Fast Trong khung Frequency Setup, ô Type ta chọn LinearStep, ô Start Stop ta ñặt tần số ñầu tần số cuối ñể mô (chương trình mô khoảng tần số hai tần số này), ô Step Size ta ñặt tần số cho bước mô phỏng, sau ñó nhấn click vào Display Khi tần số nhỏ mô xác tốn nhiều nhớ mô chậm 77 Hình P.7-Thiết lập phân tích Hình P.8-Thiết lập thông số Frequency Sweep 78 + Thiết lập xạ (Radiation) Thiết lập cho ta xem kết búp sóng anten sau mô Chọn HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere, hộp thoại Far Field Radiation Sphere Setup Ta ñặt thông số hình P.9 ñể hiển thị búp sóng dạng 3D ñặt thông số hình P.10 ñể hiển thị búp sóng dạng 2D Hình P.9-Thiết lập thông số ñể hiển thị búp sóng dạng 3D Hình P.10-Thiết lập thông số ñể hiển thị búp sóng dạng 2D Sau thiết xong mẫu Anten ta nhấn vào nút Validate công cụ ñể kiểm tra việc thiết kế ñã ñúng hay chưa 79 Mô Anten Ansoft HFSS + Sau kiểm tra khâu thiết kế xong ta nhấn vào nút Analysis all công cụ ñể tiến hành mô Trong trình mô có lỗi cảnh báo chương trình thông báo Message Manager + Khi ñã mô xong ta xem kết mô • ðể xem tổn hao phản xạ (S11), tỉ số sóng ñứng (VSWR), trở kháng Port,… ta vào HFSS>Results>Create Modal Solution Data Report>Rectangular Plot, hộp thoại Report Ở ô Categoty ta chọn S Parameter, VSWR, Port Z0, ô Quantity ta chọn S (WavePort, WavePort) ñối với S11, VSWR(WavePort) với tỉ số sóng ñứng, Z0(WavePort) ñối với Port Z0 Còn ô Function ta chọn dB ñối với S11 tỉ số sóng ñứng, chọn re ñối với Port Z0 Sau ñó nhấn New Report ñể xem kết Hình P.11-Xem kết S11, VSWR, Port Z0 • ðể xem ñồ thị xạ dạng 2D ta vào HFSS>Results>Create Far Field Report>Radiation Pattern, hộp thoại Ở ô Geomatry ta chọn Cut (tên Radiation mà ta ñã thiết lập trước ñó ñể xem xạ dạng 2D), 80 Catelogy ta chọn Gain, Quantity ta chọn GainTotal, Function ta chọn dB Sau ñó nhấn vào New Report ñể xam kết Hình P.12-Xem ñồ thị xạ dạng 2D • ðể xem ñồ thị xạ dạng 3D ta vào HFSS>Results>Create Far Field Report>3D Polar Plot, hộp thoại Ở ô Geomatry ta chọn 3D(tên Radiation mà ta ñã thiết lập trước ñó ñể xem xạ dạng 3D), Catelogy ta chọn Gain, Quantity ta chọn GainTotal, Function ta chọn dB Sau ñó nhấn vào New Report ñể xam kết Hình P.13-Xem ñồ thị xạ dạng 3D 81 Các lưu ý việc ñặt thông số mô Anten Ansoft HFSS v11.1 Solution Setup + General Tab: Solution Frequency: Tần số ñược sử dụng thành phần chia lưới thích nghi (adaptive mesher) ñể tự ñộng chia mắt lưới Sau thiết ñặt “Solution frequency”, tất nhiên nhận ñược giá trị bước sóng tương ứng, HFSS thiết ñặt việc tính toán mắt lưới theo giá trị bước sóng Do ñó, thiết ñặt tần số “Solution frequency” cao hơn, ta nhận ñược bước sóng ngắn hơn, mắt lưới ta thu ñược nhỏ ðiều ñó có nghĩa rằng, số lượng mắt lưới lớn Về lý thuyết, kết mô nhận ñược xác Vì vậy, “Solution frequency” không thiết phải trùng với tần số cộng hưởng cấu trúc Solve Ports Only: Khi sử dụng tùy chọn này, HFSS xác ñịnh tần số mode ban ñầu ñược sử dụng ñể kích thích cấu trúc Lời giải áp dụng port ñược sử dụng ñể tính toán giản ñồ trường port Lời giải hữu dụng cần xác ñịnh số lượng mode, ñộ dài port và/hoặc thiết lập port hợp lý trước chạy Analysis ñể tìm toàn lời giải Adaptive Solutions: Maximum Number of Passes: giá trị ñiều khiển số lượng bước thích nghi lớn mà thủ tục chia lưới thích nghi thực cố gắng thoả mãn tiêu chuẩn hội tụ Maximum Delta S Per Pass: giá trị ñịnh nghĩa tiêu chuẩn hội tụ cho trình chia lưới thích nghi Thông thường giá trị ñược chọn khoảng 0.02 0.01 ñủ + Anvanted Tab: Initial Mesh Options: Do Lambda Refinement: lưới khởi tạo hệ thống mắt lưới có dạng tứ diện Quá trình Lambda Refinement thao tác lưới khởi tạo hầu hết ñộ dài phần tử mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng không khí 1/3 bước sóng ñiện môi Bước sóng ñược tính toán từ giá trị tần số ñược nhập vào tuỳ chọn “Solution Frequency” 82 tab General Use Free Space Lambda: tuỳ chọn ép trình Lambda Refinement hướng tới kích thước mắt lưới xấp xỉ ¼ bước sóng không khí Các ñặc tính vật liệu cấu trúc bị bỏ qua ðiều hữu dụng ứng dụng sử dụng ñiện môi có ñộ dẫn ñiện cao Adaptive Options: Refinement Per Pass: số lượng mắt lưới tăng lên sau bước thích nghi ñược ñiều khiển tuỳ chọn Refinement Per Pass, tham số tính theo phần trăm ðiều ñảm bảo bước thích nghi, mắt lưới ñủ xáo trộn ñảm bảo bạn không nhận ñược hội tụ sai Minimum Number of Passes: phân tích thích nghi không dừng số lượng bước tối thiểu mà bạn xác ñịnh tùy chọn ñã hoàn thành, chí tiêu chuẩn hội tụ ñã thoả mãn Minumum Converged Passes: phân tích thích nghi không dừng trừ số lượng bước hội tụ tối thiểu mà bạn xác ñịnh ñã hoàn thành Tiêu chuẩn hội tụ phải phù hợp với số lượng bước tối thiểu trước phân tích thích nghi dừng Thông thường tùy chọn tab ñều ñể mặc ñịnh ñủ Nếu muốn kết xác hơn, ta thay ñổi tùy chọn Radiation Boundary Biên xạ (radiation boundary), gọi biên hấp thụ (absorbing boundary) Sóng ñiện từ xạ cấu trúc anten ñi thẳng tới biên xạ Hệ thống hấp thụ sóng xạ biên xạ Các biên xạ ñược ñặt tương ñối gần với cấu trúc có hình dạng Với cấu trúc ñược thiết lập biên xạ, tham số S ñược tính toán có tính ñến ảnh hưởng mát xạ Khi biên xạ ñược thiết lập cấu trúc, trường xa ñược tính toán dựa sóng hấp thụ thu ñược biên xạ ðể ñơn giản, ta thường vẽ biên xạ hình hôp chữ nhật, ñộ dài cạnh thường ñược chọn bước sóng chân không tần số thấp dải tần quan tâm Tuy nhiên, ñôi trình mô với thiết ñặt biên xạ diễn chậm, ta thiết ñặt biên xạ ½ giá trị bước sóng anten thiết kế chân không 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ðoàn Hòa Minh, Lương Vinh Quốc Danh, Bài giảng Anten truyền sóng, ðại học Cần Thơ, 2004 [2] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2007 [3] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, ðại học Công Nghệ TP.HCM [4] Nguyễn Chương ðỉnh, Bùi Hữu Phú, Sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi dải, Tạp chí bưu viễn thông, 2008 [5] Vũ ðình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú, Thiết kế thử nghiệm anten vi dải, Tạp chí bưu viễn thông [6] Nguyễn Thanh Luân, Thiết kế thực Patch Anten cho WLAN 2.4GHz, ðại học Cần Thơ, 2008 [7] Tạ Sơn Xuất, Trần Hải Nam, Vương Hoàng Nam, Thiết kế anten vi dải UWB cho thiết bị di ñộng, http://www.tapchibcvt.gov.vn/vi-VN/congnghetruyenthong/2008/11/19632.bcvt [8] Marco Zennaro, Carlo Fonda, Radio Laboratory Handbook, http://wireless.ictp.it/handbook/Handbook.pdf [9] Keith R.Carver, Microstrip Antenna Technology, http://adsabs.harvard.edu/abs/1981ITAP 29 2C [10] Microstrip line calculator, http://emtalk.com/mscalc.php 84 MỤC LỤC TÓM TẮT TỪ KHÓA LỜI MỞ ðẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 ðẶT VẤN ðỀ I.2 LỊCH SỬ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI I.3 PHẠM VI CỦA ðỀ TÀI I.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1 LÝ THUYẾT ANTEN II.1.1 Khái niệm Anten II.1.2 Sự xạ sóng ñiện từ II.1.3 Các thông số Anten 10 II.2 ANTEN VI DẢI 22 II.2.1 Cấu tạo anten vi dải 22 II.2.2 Những kỹ thuật tiếp ñiện 25 II.2.3 Hoạt ñộng anten vi dải 28 II.2.4 Tính phân cực anten vi dải 29 II.2.5 Phương pháp phân tích anten vi dải 31 II.2.6 Phổ trường anten vi dải 42 II.2.7 Băng thông anten vi dải 45 II.2.8 Những ưu ñiểm nhược ñiểm anten vi dải 46 II.2.9 Xu hướng phát triển anten vi dải 47 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ANTEN VÀ KẾT QUẢ 48 III.1 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI 48 85 III.1.1 Dựa vào yêu cầu kỹ thuật anten ñể lựa chọn anten thích hợp 48 III.1.2 Chọn phương pháp tiếp ñiện thích hợp 48 III.1.3 Dựa vào sở trước ñây 48 III.2 THIẾT KẾ ANTEN 49 III.2.1 Yêu cầu thiết kế 49 III.2.2 Tính toán thông số anten vi dải 49 III.2.3 Các tiêu chuẩn anten 51 III.2.4 Hình ảnh anten ñã thiết kế 52 III.3 MÔ PHỎNG ANTEN 52 III.4 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ðẾN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ANTEN 58 III.4.1 Thay ñổi bề dày (thickness) lớp ñế ñiện môi 59 III.4.2 Thay ñổi khoảng cách lớp ñế ñiện môi với ground plane 60 III.4.3 Thay ñổi kích thước lớp ñế ñiện môi 62 III.4.4 Thay ñổi số ñiện môi lớp ñế ñiện môi 64 III.4.5 Thay ñổi kích thước patch 65 III.4.6 Thay ñổi chiều dài feed line 67 III.4.7 Thay ñổi chiều rộng feed line 68 III.5 KẾT QUẢ THỰC TẾ 69 III.5.1 Khả thu sóng anten khoảng cách fading 10m 70 III.5.2 Khả thu sóng anten khoảng cách fading 70m 70 III.5.3 So sánh khả thu sóng anten máy ño thực tế 71 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 72 PHỤ LỤC 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 86 [...]... f0 2 Tính toán hằng số ñiện môi hiệu dụng ε reff = ε r +1 ε r −1 + 2 h 1 + 12  W  2 −1 / 2 (2. 28) Tính toán chiều dài hiệu dụng Leff = c 2 f 0 ε reff (2. 29) Tính toán ñộ mở rộng của chiều dài ∆L = 0 .41 2h W + 0 .26 4) h W − 0 .25 8)( + 0.8) h (ε reff + 0.3)( (ε reff (2. 30) Tính toán chiều dài của tấm vi dải L = Leff − 2 L (2. 31) Tính toán chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng ñất L g = 6h + L 34 (2. 32) ... f0 = (fmax + fmin) /2 hoặc f 0 = Thường dải tần ñược phân làm 4 nhóm - Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): ∆f < 10% f0 - Anten dải tần tương ñối rộng 10% < ∆f < 50% f0 - Anten dải tần rộng 1.5 < f max 4 f min Trong ñó: ∆f = fmax – fmin 21 (2. 24) f max f min II .2 ANTEN VI DẢI II .2. 1 Cấu tạo của anten vi dải Bản chất của anten vi dải là một kết cấu bức xạ kiểu... tán xạ: 2 Pr = - V A Rr (2. 21) 8 R A2 Công suất thu tổng: PC = VA 2 4( Rr + Rl ) = VA 2 4RA (2. 22) Khi có phối hợp trở kháng anten- dây truyền sóng (feeder), chúng ta có: Trở kháng vào của anten phụ thuộc vào tần số sóng II.1.3.8 Dải tần của anten Dải tần của anten là khoảng tần số ở ñó các ñặc tính của anten thõa mãn các tiêu chuẩn ñặt ra hay khoảng tần số mà trong ñó các thông số tính toán của anten. .. hình khuyên Hình 2. 9-Các dạng của Printed Slot Antenna 23 + Anten vi dải dạng 2 mặt (Printed Dipole Antenna) là dạng anten có các tấm dẫn ñiện giống như anten vi dải dạng tấm patch nhưng printed dipole antenna sẽ có các tấm patch ñối xứng ở cả 2 mặt của tấm ñiện môi Hình 2. 10-Cấu trúc một Printed Dipole Antenna + Anten vi dải dạng sóng chạy (Microstrip Traveling Wave Antenna) là dạng anten có các ñoạn... ñiện trong tấm patch của anten vi dải trông lớn hơn những kích thước vật lý Những kích thước của tấm patch dọc theo chiều dài chính nó ñược mở rộng bởi chiều dài L và L ñược tính như sau: ∆L = 0 .41 2h W + 0 .26 4) h W − 0 .25 8)( + 0.8) h (ε reff + 0.3)( (ε reff (2. 26) ðể thiết kế một anten dạng này ta sẽ theo các bước tính toán như sau: Tính toán ñộ rộng W của tấm vi dải theo công thức: c W= (2. 27) εr +1 2. .. (2. 17) 2 Công suất tiêu hao dưới dạng nhiệt của anten phát: 2 Pl = V g Rl 8(Rr + Rl ) (2. 18) 2 Mạch tương ñương của anten thu Hình 2. 5-Sơ ñồ hệ thống thu sóng Các sóng ñến anten tạo nên ñiện thế VA trên anten ðể ñạt ñược công suất thu cực ñại thì chúng ta cần có: 19 - Công suất thu trên tải ZL: PL = - VA 2 8RL = VA 2 (2. 19) 8RA Công suất tiêu hao dưới dạng nhiệt trên anten: 2 Pl = - V A Rl (2. 20) 8 R A2... chất ñiện môi ñược sử dụng tăng lên bức xạ của sóng bề mặt tăng lên và sẽ làm hạn chế dải thông II .2. 2 .2 Coaxial Feed Phương pháp tiếp ñiện bằng cáp ñồng trục hay tiếp ñiện theo kiểu ñầu dò là kỹ thuật tiếp ñiện thông dụng ñược sử dụng ñể tiếp ñiện cho Microstrip patch antenna Ta thấy trong hình 2. 14, lõi bên trong của cáp ñồng trục ñược nối với tấm patch xuyên qua lớp nền ñiện môi trong khi lớp ngoài... hơn một nửa chiều dài bước sóng trong môi trường chất ñiện môi và bằng λ0 / ε reff với λ0 là chiều dài bước sóng trong không gian Mô hình TM10 ngụ ý rằng những trường khác nhau trong một chu kỳ một nửa bước sóng dọc theo chiều dài và nó không có sự khác nhau theo chiều rộng của tấm patch 32 Hình 2. 24- Mặt trên của anten Trong hình 2. 24, anten vi dải ñược ñại diện bởi 2 khe, ñược tách ra bởi một ñường... phát ñến anten cần phối hợp trở kháng giữa ñầu ra máy phát và ñầu vào của anten ðiện trở bức xạ Nếu I là dòng ñiện chạy trên anten thì ñiện trở bức xạ của anten ñược xác ñịnh bởi công thức sau: Rr = 2 Pbx I 2 (Ohm) (2. 14) Mạch tương ñương của anten phát Giả sử ngõ ra của máy phát sóng ñiện từ ñược nối trực tiếp với anten phát thì sơ ñồ tương ñương Thevenin của hệ thống như sau (Hình 2. 4) : Hình 2. 4- Sơ ñồ... vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hình tam giác hoặc 22 các hình dạng mà người ta tự tính toán, thiết kế ñể ñạt ñược ñộ lợi, tổn hao và hình dạng búp sóng cần thiết Hình 2. 7-Cấu trúc một Microstrip Patch Antenna Hình 2. 8-Một số hình dạng tấm patch của Microstrip Patch Antenna + Anten vi dải dạng khe (Printed Slot Antenna) là dạng anten có khe hẹp ở trên mặt phẳng ñất (ground) Khe hẹp này có ... ANT 24- 120 0 Air Indoor 11.5dBi High Gain Directional Panel Antenna III .2 THIẾT KẾ ANTEN III .2. 1 Yêu cầu thiết kế Yêu cầu thiết kế Anten vi dải ñặt sử dụng mạch in FR4 có số ñiện môi 4. 4 mạch in... 1.7mm ñể thiết kế anten hoạt ñộng tần số 2. 4GHz III .2. 2 Tính toán thông số anten vi dải Dựa vào yêu cầu thiết kế ban ñầu ta tiến hành thiết kế anten dựa theo yêu cầu ñó 49 Hình 3 .2- Hình dạng anten. .. patch, anten yagi, anten omnidirectional, anten dish,…Nhưng phạm vi ñề tài nghiên cứu thiết kế microstrip patch antenna (anten patch vi dải) hoạt ñộng tần số 2. 4GHz ñể sử dụng cho WLAN Anten ñã