thiết kế patch anten chữ e phân cực tròn cho ứng dụng wlan 2 4 ghz

Vmax, Imax Điê ̣n áp và dòng điê ̣n cực đa ̣i không đổi trên đường dây Vmin, Imin Điê ̣n áp và dòng điê ̣n cực đa ̣i không đổi trên đường VSWR Tỷ số sóng đứng điện áp Volta

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG VĂN TÂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG VĂN TÂM

THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN

CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG VĂN TÂM

THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 160B4/15, Khu vực I, Phường An Khánh, Quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ

Điện thoại cơ quan: 0710.3893488 Điện thoại nhà riêng: 0710.3899990

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 1998 đến 2003

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đa ̣i Ho ̣c Giao Thông Vận Tải cơ sở 2, TP

HCM

Ngành học: Kỹ thuật Viễn Thông

Tên đồ án, luận án tốt nghiệp: Các tổng đài đa dịch vụ trong mạng thế hệ sau

(NGN)

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: ngày 27/05/2003 tại Trường

Đa ̣i Ho ̣c Giao Thông Vận Tải cơ sở 2

Người hướng dẫn: Ths Nguyễn Quang Thịnh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2003÷2008 Công ty Viễn Thông Cần Thơ-Hậu Giang Nhân viên kỹ thuật

đăng trong Kỷ yếu Hội thảo giữa NTUST và ĐH Cần Thơ vào ngày 28-29 /10/2013

và Kỷ yếu Hội nghị NAFOSTED lần thứ nhất về Khoa học Thông tin và Máy tính (NICS'14) vào ngày 13-14 /03/2014

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hồng Văn Tâm

Trướ c tiên em xin đươ ̣c gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiê ̣u , các Thầy, Cô trong khoa Điê ̣n -Điê ̣n Tử trường Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Thành Phố Hồ Chí Minh, đã tâ ̣n tình chỉ dạy , truyền đa ̣t kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p vừa qua

Đặc biệt em xin chân thành gửi đến Thầy Ts.Lương Vinh Quốc Danh lời

cảm ơn sâu sắc Trong thời gian thực hiê ̣n đề tài Thầy đã quan tâm theo dõi, tâ ̣n tình hướng dẫn và đô ̣ng viên để em hoàn thành tốt luâ ̣n văn này

Em xin gửi lời cảm ơn đến các ba ̣n ho ̣c viên cùng lớp đã nhiê ̣t tình hổ trợ về

vâ ̣t chất cũng như những lời góp ý đô ̣ng viên để em hoàn thành luâ ̣n văn này

TP Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014

Học viên

Hồng Văn Tâm

Luận văn này trình bày về một thiết kế patch anten vi dải phân cực tròn cấp nguồn đơn băng rộng cho ứng du ̣ng WLAN 2.4GHz Patch anten đề xuất là sự cải thiện cho patch anten chữ E phân cực tròn thông thường, được thực hiện bằng cách chèn thêm 2 khe song song, bằng nhau và 1 khe nằm ở chính giữa cạnh đối diện của tấm patch chữ E Mục tiêu của bài thiết kế này là cải thiện các thông số: suy hao phản xạ, VSWR, băng thông hoạt động và băng thông phân cực tròn của anten Các thông số của anten đã được tối ưu để đạt được một patch anten phân cực tròn tại dải tần của WLAN 2.4GHz, độ lợi cực đại anten đạt 9.7dB, băng thông hoạt động đạt 28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz), băng thông phân cực tròn đạt 4.1% (2.3885 ÷ 2.4885 GHz)

Anten đươ ̣c thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Ansoft HFSS v 13 Sau đó chế ta ̣o anten và đo thông số thực tế bằng máy Anritsu S 331D

Kết quả mô phỏng và đo đạc là khá phù hợp nhau Anten đề xuất có thể sử dụng cho các APs băng tần WLAN 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g của IEEE và ứng dụng cho WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz

Để kiểm tra hiệu quả của anten trong ứng dụng thực tế, anten thiết kế đã được kết nối với APs 2.4GHz Việc đo kiểm được tiến hành trong điều kiện fading yếu và fading mạnh Kết quả đo kiểm cho thấy, tín hiệu thu được từ anten đề xuất tốt hơn rất nhiều so với anten toàn hướng 2 dBi

This thesis presents the design of a circularly polarized probe-fed layer wide-band microstrip-patch antenna used for 2.4 GHz WLAN applications The proposed antenna is a improved form of the conventional circularly polarized E-shaped patch antenna This model is modified with further improvements by incorporating two more equal-parallel slots and a single slot in the center of the opposite edges of the E-shaped patch The main objective of the design are considered to achieve improved return loss, VSWR characteristics, effective impedance bandwidth and axial-ratio bandwidth The antenna parameters are optimized to have a circularly polarized antenna at WLAN 2.4GHz band, 9.7-dB peak gain, and a 28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz) impedance bandwidth and a 4.1% (2.3885 ÷ 2.4885 GHz) axial-ratio bandwidth

single-The antenna was designed and simulated using the Ansoft HFSS V13 software The measurement of return loss of the antenna were performed by using the Anritsu SiteMaster S331D

The simulation results show good agreement with the measurement The proposed antenna can be used for 2.4 GHz wireless access points (APs), following the suggested procedure for the IEEE 802.11 b/g WLAN band, and 2.3-2.7 GHz WiMAX applications

In order to verify the antenna performance in practical applications, the designed antenna was connected to the antenna connector of a 2.4-GHz WLAN access point serving as a transmitter, and the measurements were carried out under line-of-sight and non-line-of-sight condition The measurement results show that the proposed antenna greatly improves WLAN signal reception compared to that of the 2-dBi omnidirectional one

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Abstract vi

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các ký hiê ̣u xi

Danh sách các hình xvii

Danh sách các bảng xx

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố 5

1.3 Mục đích của đề tài 9

1.4 Nhiệm vu ̣ và giới ha ̣n của đề tài 10

1.4.1 Nhiệm vu ̣ của đề tài 10

1.4.2 Giớ i ha ̣n của đề tài 10

1.5 Phương pháp nghiên cứu 10

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Các thông số cơ bản của anten 11

2.1.1 Trở kháng vào 11

2.1.2 Băng thông 12

2.1.3 Độ rộng búp sóng 14

2.1.4 Hệ số định hướng 14

2.1.5 Độ lợi 15

2.1.6 Suy hao phản xa ̣, tỉ số điện thế sóng đứng 16

2.1.9 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 23

2.1.10 Mật đô ̣ công suất bức xa ̣ 24

2.1.11 Hiệu suất bức xạ 25

2.1.12 Hiệu suất búp sóng 26

2.1.13 Hiệu suất anten 27

2.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải 28

2.3 Tính phân cực của anten vi dải 29

2.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 33

2.4.1 Cấp nguồn bằng đườ ng truyền vi dải 34

2.4.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục 34

2.4.3 Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe 35

2.4.4 Cấp nguồn bằng phương pháp ghép gần 36

2.5 Phương pháp phân tích anten vi dải 37

2.5.1 Mô hình đường truyền 37

2.5.2 Mô hình hốc cộng hưởng 40

2.5.3 Mô hình sóng đầy đủ 42

2.5.4 Phương pháp sai phân hữu hạn 42

2.6 Tính khả thi củ a anten phân cực tròn 43

2.6.1 Những đặc tính của kênh truyền và các loại suy hao 43

2.6.2 Tác dụng của phân cực tròn đến chất lượng các hệ thống vô tuyến 47

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN 50

3.1 Mục tiêu thiết kế 50

3.2 Patch anten cơ sở hình chữ nhật 50

3.2.1 Thiết kế anten 50

3.2.2 Mô phỏng anten vớ i phần mềm Ansoft HFSS 55

3.3 Patch anten chữ E phân cực tròn 58

3.3.1 Thiết kế anten 58

3.4.1 Thiết kế anten 69

3.4.2 Mô phỏng anten vớ i phần mềm Ansoft HFSS 78

Chương 4: THI CÔNG VÀ ĐO ĐẠC ANTEN 86

4.1 Thi công và đo đạc anten thực tế 86

4.2 Đo cường đô ̣ sóng bằng phần mềm Netstumbler 88

Chương 5: KẾT LUẬN 90

5.1 Kết luận 90

5.2 Kiến nghị 90

Tài liệu tham khảo 92

Phụ lục 94

DCS Digital Cellular System

FNBW First Null Beamwidth

F-PIFA Fractal Planar Inverted-F Antenna

GSM Global System for Mobile Communications

GPS Global Positioning System

HPBW Half-Power Beamwidth

MSA Microstrip Antenna

PCS Personal Communications Service

PDA Personal Digital Assistants

UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems

RFID Radio Frequency Identification

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

WLAN Wireless Local Area Networks

Wi-Fi Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

 Phi

E Biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m)

H Biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m)

ε Hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m)

μ Hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

ζ Điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

Vmax, Imax Điê ̣n áp và dòng điê ̣n cực đa ̣i không đổi trên đường dây

Vmin, Imin Điê ̣n áp và dòng điê ̣n cực đa ̣i không đổi trên đường VSWR Tỷ số sóng đứng điện áp (Voltage Standing Wave Ratio)

UA, IA Điện áp và dòng điện đặt vào anten

ZA Trở kháng vào của anten

IAe Dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten

D Độ định hướng (directivity)

D0 Độ định hướng cực đại (maximum directivity)

U Cường độ bức xạ (radiation intensity) [W/Sr]

Umax Cường độ bức xạ cực đại [W/Sr]

U0 Cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr]

Prad Công suất bức xạ [W]

Vector Poynting tức thời (W/m2) Cường độ điện trường tức thời (V/m)

Cường độ từ trường tức thời (A/m) Tổng công suất tức thời (W)

Vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

W rad Là mật độ bức xạ (W/m2)

EIRP Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent

Isotropically Radiated Power)

ep Hiệu suất phân cực anten

e Hiệu suất bức xạ của anten

er Hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa anten

và đường dây truyền sóng)

Zin Trở kháng vào của anten

Z0 Trở kháng đặc tính của dây truyền sóng

Exo và Eyo Biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục x và y

BW Băng thông của anten (Bandwidth)

fmax, fmin, f0 Tần số cao nhất, tần số thấp nhất và tần số trung tâm

WT Năng lượng tổng cộng khi anten cộng hưởng

Pd Chất điện môi tổn hao

tan Loss tangent của chất điện môi

C

Q Hệ số đặc tính của chất dẫn

PC Công suất tổn hao chất dẫn

 Độ dày lớp da của dây dẫn

r

Q Mô tả đặc tính của sự bức xạ

S11 Hê ̣ số phản xa ̣

h Chiều cao của lớp nền

εr Hằng số điện môi

εreff Hằng số điện môi hiệu dụng của tấm patch

λ Bước sóng tại tần số cộng hưởng

λ0 Bước sóng trong không gian tự do

W Chiều rộng của tấm patch

Wg Chiều rộng của mặt phản xạ

L Chiều dài của tấm patch

Lg Chiều dài của mặt phản xạ

ΔL Chiều dài mở rộng của tấm patch

K0 Hằng số sóng trong không gian tự do

G1 Điện dẫn của 1 khe

G12 Điện dẫn ghép tương hỗ giữa 2 khe

J0 Hàm Bessel loại 1, bậc 0

Rin Trở kháng ngõ vào tại cạnh (y=0) của tấm patch

D2 Độ định hướng của anten (mảng 2 khe)

D0 Độ định hướng của một khe đơn

DAF Độ định hướng của hệ số mảng AF

D Độ định hướng của anten tính theo dB

P Khoảng cách giữa 2 khe chữ E

P1 Khoảng cách giữa 2 khe chữ E và 2 khe mở rộng cùng hướng

WS Chiều rộng 2 khe chữ E

Ls2 Chiều dài khe chữ E thứ hai

d1 Chiều dài 2 khe mở rộng cùng hướng

d2 Chiều rộng 2 khe mở rộng cùng hướng

d3 Chiều dài khe mở rộng ngược hướng

d4 Chiều rộng khe mở rộng ngược hướng

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Cấu tạo của MSA cơ bản hình chữ nhật [6] 2

Hình 1.2: Anten patch hình tròn phân cực tròn với một khe được khắc hình chữ V, hai ngõ vào ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [2] 5

Hình 1.3: Anten patch hình tròn phân cực tròn cấp nguồn bằng đường truyền vi dải ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [3] 6

Hình 1.4: Hình dạng và kích thước anten vi dải ứng dụng cho GNSS [4] 7

Hình 1.5: Patch anten chữ E thiết kế trên: (a) tấm patch hình chữ nhật, (a) tấm patch hình tròn, (a) tấm patch hình tam giác [8] 7

Hình 1.6: Anten vi dải hình vuông chèn bốn khe để ta ̣o phân cực tròn [8] 8

Hình 1.7: Patch anten chữ E phân cực tròn ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [9] 9

Hình 2.1: Mạch tương đương cho hệ thống anten [5] 11

Hình 2.2: Mô hình công suất 3 chiều và 2 chiều (trong quy mô tuyến tính) của U(θ)= cos2(θ)cos2(3θ) [5] 14

Hình 2.3: Các vùng trường của một anten [5] 18

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tính đặc tính bức xạ của anten [5] 19

Hình 2.5: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [5] 20

Hình 2.6: Đồ thị phương hướng trong không gian 3 chiều [5] 21

Hình 2.7: Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [5] 21

Hình 2.8: Các đầu cuối và các tổn hao tham chiếu của một anten [5] 28

Hình 2.9: Trường bức xạ E và H của anten vi dải [6] 28

Hình 2.10: Dạng sóng quay [6] 30

Hình 2.11: Phân cực da ̣ng elip [6] 30

Hình 2.12: Các loại phân cực [6] 31

Hình 2.13: Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải [6] 34

Hình 2.14: Cấp nguồn bằng probe đồng tru ̣c [6] 35

Hình 2.17: Đường vi dải, trường điện và hằng số điện môi hiệu dụng [6] 38

Hình 2.18: Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng của tấm patch [6] 39

Hình 2.19: Phân bố điện tích và dòng điện [6] 40

Hình 2.20: Kênh đa đường 44

Hình 2.21: Ảnh hưởng Doppler 45

Hình 2.22: Sự phân cực của tín hiệu điện từ [17] 48

Hình 3.1: Cấu trúc mặt bên của anten hình chữ nhật 51

Hình 3.2: Cấu trúc mặt trên của anten hình chữ nhật 52

Hình 3.3: Anten hình chữ nhật được thiết kế trong Ansoft HFSS 55

Hình 3.4: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten hình chữ nhật 55

Hình 3.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten hình chữ nhật 56

Hình 3.6: Đồ thị bức xạ của anten hình chữ nhật 56

Hình 3.7: Hệ số phản xa ̣ S11 của anten hình chữ nhật 57

Hình 3.8: Tỷ số sóng đứng ở ngõ vào của anten hình chữ nhật 57

Hình 3.9: Phân bố dòng điện của anten hình chữ nhật 58

Hình 3.10: Cấu trúc mặt bên của anten chữ E phân cực tròn 59

Hình 3.11: Cấu trúc mặt trên của anten chữ E phân cực tròn 59

Hình 3.12: (a) mạch điện tương đương của patch anten hình chữ nhật, (b) mạch điện tương của anten chữ E [14] 60

Hình 3.13: Phân bố dòng điện trên patch anten chữ E phân cực tròn [9] 61

Hình 3.14: Lưu đồ các bước thiết kế và điều chỉnh anten chữ E phân cực tròn 62

Hình 3.15: Anten chữ E phân cực tròn được thiết kế trong Ansoft HFSS 64

Hình 3.16: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten chữ E phân cực tròn 64

Hình 3.17: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten chữ E phân cực tròn 65

Hình 3.18: Đồ thị bức xạ của anten chữ E phân cực tròn 65

Hình 3.19: Hệ số phản xa ̣ S11 của anten chữ E phân cực tròn 66

Hình 3.20: Tỷ số sóng đứng của anten chữ E phân cực tròn ở ngõ vào 66

của anten chữ E phân cực tròn 67

Hình 3.23: Phân bố dòng điện của anten chữ E phân cực tròn 68

Hình 3.24: Cấu trúc mặt bên của anten chữ E phân cực tròn cải tiến 69

Hình 3.25: Cấu trúc mặt trên của anten chữ E phân cực tròn cải tiến 69

Hình 3.26: Mạch điện tương của anten chữ E phân cực tròn cải tiến 70

Hình 3.27: Phân bố dòng điện trên patch anten chữ E phân cực tròn cải tiến 71

Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn S11 khi d1 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 72

Hình 3.29: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d1 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 73

Hình 3.30: Đồ thị biểu diễn AR khi d1 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 73

Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn S11 khi d2 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 74

Hình 3.32: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d2 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 74

Hình 3.33: Đồ thị biểu diễn AR khi d2 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 75

Hình 3.34: Đồ thị biểu diễn S11 khi d3 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 75

Hình 3.35: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d3 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 76

Hình 3.36: Đồ thị biểu diễn AR khi d3 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 76

Hình 3.37: Đồ thị biểu diễn S11 khi d4 thay đổi và giữ nguyên các thông số còn lại trên bảng 3.4 77

Hình 3.38: Đồ thị biểu diễn VSWR khi d thay đổi và giữ nguyên các thông số

Hình 3.45: Tỷ số sóng đứng của anten chữ E phân cực tròn cải tiến ở ngõ vào 81

Hình 3.46: Tỷ số phân cực của anten chữ E phân cực tròn tại 0 0

90 ,

 81

Hình 3.47: Phân cực tròn bên trái/phân cực tròn bên phải (LHCP/RHCP)

của anten chữ E phân cực tròn cải tiến 82

Hình 3.48: Phân bố dòng điện của anten chữ E phân cực tròn cải tiến 82 Hình 3.49: So sánh S11 giữa anten chữ E phân cực tròn truyền thống

và anten chữ E phân cực tròn cải tiến 83

Hình 3.50: So sánh VSWR giữa anten chữ E phân cực tròn truyền thống

và anten chữ E phân cực tròn cải tiến 83

Hình 3.51: So sánh tỷ số AR giữa anten chữ E phân cực tròn truyền thống

và anten chữ E phân cực tròn cải tiến 84

Hình 4.1: Máy đo Anritsu SiteMaster S331D 86 Hình 4.2: Mặt trên của anten thực tế 86 Hình 4.3: Mặt sau của anten thực tế 87 Hình 4.4: Hệ số phản xa ̣ S11 của anten 87

Hình 4.5: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường fading yếu 88 Hình 4.6: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường fading mạnh 88

BẢNG TRANG Bảng 3.1: Các thông số của anten hình chữ nhật (mm) 54 Bảng 3.2: Các thông số của anten chữ E phân cực tròn (mm) 63 Bảng 3.3: So sánh kết quả mô phỏng anten hình chữ nhật

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về li ̃nh vực nghiên cứu

Anten là các hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ, là một bộ chuyển đổi dòng điê ̣n di chuyển ở tầ n số cao thành sóng điê ̣n từ và ngược la ̣i chuyển sóng điê ̣n từ thành dòng điê ̣n xoay chiều Hay nói cách khác , anten được dùng để bức xạ năng lượng ra không gian, hoă ̣c nhâ ̣n năng lượng từ không gian

Năm 1886, Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực

sẽ hình thành trường phát xạ Năm 1897 Popob đã phát triển thành công việc truyền tín hiệu điện báo không dây ở khoảng cách 3 dặm Năm 1901, Guglielmo Marconi

đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn hơn, hoạt động ở tần số khoảng 60 Khz Năm 1930, người ta đã tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz…Tiếp theo đó, nhiều tiến bô ̣ vượt bâ ̣c trong kỹ thuâ ̣t anten đã được hình thành trong khoảng thâ ̣p niên 1970 cho đến đầu thâ ̣p niên 1990

Sự phát triển rất nhanh của hê ̣ thống truyền thông di đô ̣ng đã thúc đẩy viê ̣c nghiên cứu các anten mới cho các ứng du ̣ng di đô ̣ng cơ bản như: điê ̣n thoa ̣i di đô ̣ng, máy tính notebook , các thiết bị hộ trợ cá nhân kỹ thuật số , Hiện nay nhiều hê ̣ thống truyền thông di đô ̣ng sử du ̣ng nhiều băng tần như băng tần GSM

900/1800/1900, UMTS 3G có băng thông mở rô ̣n g (1900-2200MHz và 2700MHz, mạng WLAN có băng thông (2400-2500MHz và 5100-5800MHz) Anten đơn năng chỉ có thể hoa ̣t đô ̣ng ở mô ̣t tần số nào đó theo nhu cầu sử du ̣ng , nhưng mô ̣t anten đa năng thì có thể hoa ̣t đô ̣ng ở nhiều băng tần khác nhau

2500-Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với các phương pháp xử lý số tín hiệu đã cho phép truyền thông tin đi xa hơn, trên nền nhiễu mạnh hơn, công suất phát thấp hơn và băng tần rộng hơn Một trong các yếu tố góp phần cải thiện chất lượng thông tin này là các hệ thống các anten

thu/phát có kích thước nhỏ và dải tần rộng, trong đó phần tử được triển khai và nghiên cứu nhiều là anten vi dải (microstrip antenna - MSA) Điểm mạnh của MSA

so với các loại anten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải mà hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Mặt khác, MSA còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (array antenna) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh cho các ứng dụng kỹ thuật cao

Một MSA đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại rất mỏng (bề dày t), đặt cách mặt phẳng đất một khoảng (h) rất nhỏ, patch của MSA được thiết kế sao cho có đồ thị bức xạ cực đại Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch Giữa patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền (có hằng số điện môi εr , thường thì 2.2< εr

< 12) Đối với một patch hình chữ nhật có chiều dài l, chiều rộng w có thể được mô

tả như hình sau:

Hình 1.1 Cấu tạo của MSA cơ bản hình chữ nhật [6]

Sự bức xạ từ MSA có thể phát ra từ vùng giới hạn giữa chu vi phần patch và

mă ̣t phẳng nền Đối với anten có hiệu suất tốt , đô ̣ dày của lớp điê ̣n môi có hằng số điê ̣n môi thấp là tối ưu vì như vâ ̣y anten sẽ có hiê ̣u suất cao , băng tần rô ̣ng và bức

xạ tốt Tuy nhiên, mô ̣t cấu hình như thế sẽ dẫn đến kích thước anten sẽ lớn Để thiết kế mô ̣t anten vi dải có kích thước nhỏ go ̣n, thì phải sử dụng lớp nền có hằng số điện môi cao và điều này đã làm cho anten có hiê ̣u suất th ấp và băng tần hẹp Vì thế cần có sự cân bằng giữa kích thước anten và hiệu suất anten

MSA được mô tả với nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác và 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)

MSA được chia thành 4 loại cơ bản sau:

- Microstrip Patch antenna: là anten vi dải dạng tấm, bao gồm một patch dẫn điện phẳng hoặc không phẳng nằm trên một mặt của miếng đế điện môi, phía dưới miếng đế là mặt phẳng đất Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một dipole Hai dạng anten patch vi dải thông dụng nhất là anten có dạng hình vuông và hình tròn

- Microstrip Dipole antenna: là anten dipole vi dải, có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số chiều dài/ chiều rộng Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải là giống nhau, tuy nhiên, chúng có một số đặc tính khác nhau như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo (cross-polar)… Anten dipole

vi dải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi tương đối dày nên chúng đạt được băng thông khá lớn

- Printed Slot Antenna: là anten khe vi dải, gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất (ground substrate) Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như: hình chữ nhật, hình nón, hình vành khuyên, Anten loại này bức xạ theo hai hướng trên hai mặt của khe, ngoài ra, chúng ta có thể tạo

ra bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe

- Microstrip Traveling-Wave Antenna: là anten vi dải sóng chạy, được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau trên bề mặt của tấm điện môi hay một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền TE Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten Anten loại này có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire

MSA được ứng dụng nhiều trong cao tần (từ 100MHz đến 100GHz) Do kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo nên được dùng rất nhiều trong thông tin vô tuyến đặc biệt

là mạng WLAN, WiMAX, các thiết bị đầu cuối trong các mạng di động; Ngoài ra, MSA còn được sử dụng trong các GPS, các Radar, các hệ thống thông tin hàng không,

MSA có những ưu khuyết điểm sau:

- Ưu điểm:

 MSA có khối lượng và kích thước nhỏ, dễ sản xuất

 Đáp ứng được cả phân cực tuyến tính và phân cực tròn

 Công nghệ chế tạo phù hợp với các mạch cao tần, kết cấu rắn chắc khi gắn trên bề mă ̣t cố đi ̣nh

 Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten

 Dễ dàng tích hợp với các thiết bị đầu cuối di động

- Khuyết điểm:

 Băng thông hẹp, độ lợi thấp

 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten

 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối

 Hiệu suất không cao

Để cải thiện khuyết điểm về độ lợi thấp anten vi dải, chúng ta có thể dùng giải pháp sử dụng nhiều anten vi dải để tăng độ lợi, hơn nữa, hệ thống này có thể

thiết kế anten vi dải nhiều band (multi band), đây chính là hướng đi trong những năm tới nhằm đáp ứng nhu cầu của các dịch vụ băng rộng

1.2 Các kết quả nghiên cƣ ́ u đã công bố

- Một Thiết kế về anten vi dải hình tròn phân cự c tròn cho ứng du ̣ng WLAN dải tần 2.4 GHz bao gồm một tấm mạch in FR-4 với một khe được khắc hình chữ V, hai ngõ vào và một phản xa ̣ hình tròn Anten tối ưu nhất có băng thông làm việc đạt 8.19%, tỷ số phân cực AR là 3.35dB, đô ̣ lợi cực đ ại đạt 8.43dB, độ cách ly giữa hai ngõ vào đạt trong dải tần số 2.4÷2.5 GHz [2]

Hình 1.2 Anten patch hình tròn phân cực tròn với một khe được khắc hình chữ V,

hai ngõ vào ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [2]

- Một thiết kế về patch anten tròn phân cực tròn trên vật liê ̣u FR 4 có hằng số điê ̣n môi r 4 4, cấp nguồn đơn, ứng dụng cho WLAN 2.4GHz đã được đưa ra bằng cách cắt hai ca ̣nh đối diê ̣n của patch anten tròn ta ̣i góc 450 so vớ i đường cấp nguồn Bài thiết kế đã đưa ra và so sánh 3 phương pháp cấp nguồn khác nhau: đường truyền vi dải, phương pháp ghép gần và phương pháp ghép khe Anten tối ưu nhất có băng thông làm việc đạt 6.73%, băng thông phân cực tròn đa ̣t 1.9%, đô ̣ lợi cực đa ̣i đa ̣t 6.07dB.[3]

Hình 1.3 Anten patch hình tròn phân cực tròn cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [3]

- Thiết kế anten phân cực tròn ứng du ̣ng cho GNSS (Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu - Global Navigation Satellite System ) Anten đươ ̣c t hiết kế trên vâ ̣t liê ̣u FR4 có hằng số điện môi r 4 4, được cấp nguồn đơn bằng đường truyền vi dải Để ta ̣o phân cực tròn anten được được cắt mô ̣t đoa ̣n ∆l ta ̣i hai góc đối diê ̣n Anten hoa ̣t đô ̣ng tốt ta ̣i tần số 1575MHz Anten có da ̣ng như hình 1.2 [4]

Hình 1.4 Hình dạng và kích thước anten vi dải ứng dụng cho GNSS [4]

- Anten patch vi dải đã gây ra không ít khó khăn cho các nhà nghiên cứu trong nhiều thâ ̣p niên qua vì loa ̣i anten này có băng tần hẹp và độ lợi thấp là một

trong những nguyên nhân trở nga ̣i chính Qua nhiều năm nghiên cứu các nhà nghiên cứu đã thay đổi , chỉnh sửa anten nguyên mẫu và k ết quả đã đa ̣t được những tiến bô ̣ vươ ̣t bâ ̣c và đã được ứng du ̣ng trong nhiều lĩnh v ực như: kỹ thuật không gian , hàng không, tên lử a, hê ̣ thống GPS, truyền thông di đô ̣ng,… [10][11][12]

- Để mở rộng băng thông, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các dạng anten chữ E bằng cách cắt 2 khe song song trên các tấm patch hình chử nhật, hình tam giác, hình tròn… với tần số trung tâm 1592 MHz, băng thông đều đạt trên 20% [8]

(a) (b)

(c)

Hình 1.5 Patch anten chữ E thiết kế trên: (a) tấm patch hình chữ nhật, (a) tấm patch

hình tròn, (a) tấm patch hình tam giác [8]

- Một anten vi dải hình vuông được chèn bốn khe để ta ̣o ra phân cực tròn Hai că ̣p khe được cắt theo tru ̣c x và tru ̣c y của anten Mỗi că ̣p khe đều có cùng đô ̣

rô ̣ng nhưng tổng đô ̣ dài của hai că ̣p khe l x và l y là không bằng nhau Các khe này tạo

ra mode cô ̣ng hưởng ta ̣i hai đường vuông góc để ta ̣o ra bức xa ̣ phân cực tròn Khi l x

> l y thì vị trí cấp nguồn đặt tại điểm C dọc the o đường chéo AB sẽ ta ̣o ra bức xa ̣ phân cực tròn bên phải Ngược la ̣i khi đă ̣t ta ̣i điểm D sẽ ta ̣o ra bức xa ̣ phân cực tròn bên trái

Hình 1.6 Anten vi dải hình vuông chèn bốn khe để tạo phân cực tròn [8]

- Một thiết kế về patch anten vi dải chữ E một lớp băng rộng phân cực tròn cấp nguồn đơn bằng cáp đồng trục cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz [9] Anten được thiết kế bao gồm một tấm patch hình chữ E có 2 khe song song không bằng nhau và một tấm phản xạ hình chữ nhật Tấm patch chữ E được đặt cách tấm phản

xạ một khoảng cách nhỏ Mô hình anten đưa ra là một sự cải tiến từ patch anten chữ

E thông thường, hai khe song song không bằng nhau của patch chữ E đề xuất làm xuất hiện hai dòng trực giao trên tấm patch nên trường phân cực tròn được tạo ra

Độ lợi cực đại đạt 8.3dBi, băng thông hoạt động đạt 9% (2.34÷2.57 GHz)

Hình 1.7 Patch anten chữ E phân cực tròn ứng dụng cho WLAN 2.4GHz [9]

Các kết quả thiết kế về anten phân cực tròn [2], [3] và [9] cho thấy băng thông hoạt động, độ lợi của anten còn thấp; Băng thông phân cực tròn vẫn chưa đạt được trong toàn bộ dải tần dành cho WLAN 2.4GHz (2.4÷2.483 GHz)

Trên cơ sở mô hình anten như bài báo [9], hướng nghiên cứu của luận văn là xây dựng một mô hình anten vi dải chữ E khắc phục các điểm hạn chế trên

1.3 Mục đích của đề tài

Ngày nay, thiết bị kết nối mạng WLAN qua băng tần 2.4GHz đã gia tăng đột biến, không riêng về máy tính laptop mà còn là nhu cầu kết nối chính để truy cập data của thiết bị đầu cuối iPad và điện thoại di động Trong đó, ngoài vấn đề băng thông thì chất lượng vùng phủ sóng phải được đặt lên hàng đầu nhằm đáp ứng hai

nhu cầu chính của người dùng là tốc độ cao và di động Mặt khác, nhằm khắc phục

nhược điểm của anten phân cực tuyến tính trong các trường hợp bị ảnh hưởng của Shadow Fading, Multi-path Fading và Doppler shift, chúng ta cần hướng tới xây

dựng anten phân cực tròn Giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất hoạt động của

mạng, trong vùng phủ sóng WLAN, cần tạo ra đồng thời 2 loại phân cực ngang và

dọc nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các loại fading như trên và đảm bảo thiết bị phát/thu tốt trong trạng thái di động Do đó, mục đích chính của đề tài là cải thiê ̣n chất lượng truyền /nhận thông tin cho WLAN 2.4GHz; Và tiến xa hơn nữa là mở rộng băng thông để anten có thể ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến khác như WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz

Các anten được thiết kế trong các LVTS [2] và [3] có độ lợi, băng thông làm viê ̣c và băng thông phân cực tròn còn thấp cần có giải pháp cải tiến

Mục tiêu c ủa đề tài là thi ết kế patch anten chữ E phân cực tròn có lớp điện môi không khí, hằng số điện môi r 1 , độ cao h = 10 mm và tấm phản xa ̣ bằng nhôm ứng dụng cho WLAN dải tần hoạt động 2.4 - 2.483 GHz sử dụng phương

pháp cấp nguồn bằng cáp đ ồng trục RG-58, trở kháng đặc tính 50 Ohm đươ ̣c tối ưu về đô ̣ lợi, băng thông làm viê ̣c và băng thông phân cực tròn

1.4 Nhiê ̣m vu ̣ và giới hạn của đề tài

1.4.1 Nhiê ̣m vu ̣ của đề tài

- Nghiên cứ u anten phân cực tròn , cải thiê ̣n tối ưu các thông số để anten hoạt động có hiệu quả nhất

- Dựa theo hướng nghiên của bài báo [9], nghiên cứu và thiết kế một patch anten chữ E phân cực tròn hoa ̣t đô ̣ng trong dải tần của WLAN 2.4GHz

- Nghiên cứu cải tiến băng thông hoạt động và băng thông phân cực tròn cho anten

1.4.2 Giơ ́ i ha ̣n của đề tài

Anten chỉ đạt phân cực tròn trong băng tần WLAN 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g của IEEE

1.5 Phương pha ́ p nghiên cứu

Tổng hơ ̣p lý thuyết , các phương pháp thiết kế anten vi dải và mô phỏng trên phần mềm HFSS, sau đó thi công anten và đo đạc thực tế

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các thông số cơ bản của anten

2.1.1 Trở kháng vào

Hình 2.1 Mạch tương đương cho hệ thống anten [5]

Trở kháng vào (Input Impedance) của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng, là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten

A A A

A A

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

Khi anten được kết nối với một đoạn cable, nếu trở kháng đầu vào của anten trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền thì tổng công suất được truyền

từ radio đến anten là tối đa Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một ít năng lượng sẽ bị 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 bằng 1 Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽ càng nhiều Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyền, trong trường hợp không mong muốn nhất, nó có thể bắn ra tia lửa điện Tuy nhiên, tình huống này sẽ không xảy ra nếu công suất sử dụng thấp khi triển khai ở mô ̣t số ma ̣ng như : WLAN, WiMAX…

2.1.2 Băng thông

Băng thông (Bandwidth) của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông

số tính toán của anten nhận các giá trị 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 xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số công tác

Thường băng thông được phân làm 4 nhóm :

- Anten băng thông hẹp (anten tiêu chuẩn)

% 10

- Anten băng thông tương đối rộng

% 50

% 10



f f

- Anten băng thông rộng

45

.1

min max 

Trong đó: Δf = f max – f min

Sự giới ha ̣n lớn nhất của anten vi dải là băng thông he ̣p Băng thông có thể đươ ̣c xác đi ̣nh dựa vào hê ̣ số điê ̣n thế sóng đứng (VSWR) hay trở kháng ngỏ vào thay đổi theo t ần số VSWR hay trở kháng băng thông anten vi dải được xác đi ̣nh trong dải tần số mà nó phối hợp trở kháng với đường cấp nguồn nằm trong giới ha ̣n

cụ thể Do đó BW của anten vidải tỉ lê ̣ nghi ̣ch với hê ̣ số phẩm chất Q :

VSWR Q

1 VSWR

Băng thông thường được xác đi ̣nh rõ trong dải tần số mà VSWR nhỏ hơn 2 (tương ứ ng với suy hao phản xa ̣ là 9.5dB hay 11% công suất phản xa ̣) Đôi khi đối với các ứng du ̣ng nghiêm ngă ̣t thì đòi hỏ i VSWR phải nhỏ hơn 1.5 (tương ứng với suy hao phản xa ̣ là 14dB hay 4% công suất phản xa ̣) Trong trường hợp mô ̣t anten vi dải có trở kháng ngỏ vào và trở kháng nguồn được sử dụng như một tham số trung gian để xác đi ̣nh tham số S11 (đo hê ̣ số phản xa ̣ ), suy hao phản xa ̣, hê ̣ số điê ̣n thế sóng đứng (VSWR), và băng thông Suy hao phản xa ̣ được biểu diễn là dB theo S 11

vì suy hao phản xạ có giá trị âm Băng thông cũng có thể được xác đi ̣nh theo các tham số bức xa ̣ của anten như đô ̣ lợi , đô ̣ rô ̣ng chùm n ửa công suất, và các búp phụ nằm trong giới ha ̣n xác đi ̣nh

2.1.3 Độ rộng búp sóng

Hình 2.2 Mô hình công suất 3 chiều và 2 chiều (trong quy mô tuyến tính) của

U(θ)= cos2(θ)cos2(3θ) [5]

Độ rộng búp sóng (Beamwidth) đươ ̣c đi ̣nh nghĩa là góc h ợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10dB so với giá trị cực đại Trong các mô hình anten , người ta đưa

ra mô ̣t số thông số về Beamwidth như : Độ rộng nữa công suất HPBW (Half-Power Beamwidth) Theo IEEE, HPBW là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng 1/2

giá trị cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ

bức xạ ở 2 hướng này giảm 3dB so với hướng cực đại); Và Độ rộng giữa các bức

xạ không đầu tiên FNBW (First Null Beamwidth), là góc giữa 2 hướng có cường độ

bức xạ bằng 0 nằm 2 bên hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng

2.1.4 Hệ số định hướng

Một trong các thông số dùng để so sánh tính hiệu quả giữa các anten đó chính là hệ số định hướng (Directivity) Hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh

với anten lý tưởng (anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất A = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

Theo IEEE, hệ số đi ̣nh hướng của anten được đi ̣nh nghĩa là tỉ số giữa cường

đô ̣ bức xa ̣ của mô ̣t hướng cho trước với cường đô ̣ bức xa ̣ trung bình của mo ̣i hướng Cường đô ̣ bức xa ̣ trung bình thì tương ứng với tổng công suất bức xa ̣ của anten chia cho 4π

rad

P

U U

U U

U D

0 max 0

max 0

Với D : hê ̣ số hướng tính (vô hướng)

D 0 : hê ̣ số hướng tính cực đa ̣i (vô hướng)

U : cươ ̀ ng đô ̣ bức xa ̣ (W/đơn vi ̣ góc khối)

U max : cươ ̀ ng đô ̣ bức xạ cực đại (W/đơn vi ̣ góc khối)

U 0 : cươ ̀ ng đô ̣ bức xa ̣ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vi ̣ góc khối)

P rad : tổng công suất bứ c xa ̣ (W)

Hê ̣ số đi ̣nh hướng sẽ cho chúng ta biết được tra ̣ng thái năng lượng bức xa ̣ của anten đươ ̣c phát đi trong mô ̣t hướng là như thế nào

2.1.5 Độ lợi

Mô ̣t thông số quan trọng dùng để mô tả hiê ̣u suất của anten đó chính là đô ̣ lợi (Gain) Độ lợi có mối quan hệ mật thiết với hệ số định hướng , nó được đưa vào để

tính tốn h iê ̣u su ất của anten Khi nĩi về độ lợi, người ta thường xét đến 2 khái niệm:

Độ lợi tuyệt đối của anten là tỉ sớ giữa cường đơ ̣ bức xạ trong mơ ̣t hướng cho

trước với mơ ̣t cường đơ ̣ bức xa ̣ mà có thể đa ̣t được nếu cơng suất thu của anten l à bức xa ̣ đẳng hướng Cường đơ ̣ bức xa ̣ tương ứng với cơng suất bức xa ̣ đẳng hướng thì tương đương với cơng suất thu của anten chia cho 4π

hướng) vô

vào ngõ các tổng của (thu) suất Công

xạ bức độ Cường 4

lợi

P

) , ( U 4

Độ lợi tương đối của anten được định nghĩa là tỷ số độ lợi cơng suất của ở

hướng cho trước trên độ lợi cơng suất của anten tham khảo ở hướng đó

Trong hầu hết trường hợp anten tham khảo là anten vơ hướng khơng tổn hao:

hướng)vô

hao)tổn không hướng

vô(nguồnP

4lợi

Độ

in

( )

, (



Đơn vị của độ lợi thường là dBi (tính theo dB của anten đẳng hướng) hay

dBd (tính theo dB của anten half-wave dipole) Trong đó, G [dBi] ≈ G [dBd] + 2.15 [dB] Trong thực tế, người ta hay dùng cơng thức chuyển đổi này vì mặc dù hầu hết

các nhà sản xuất đều biểu diễn độ lợi theo dBi nhưng một số khác lại biểu diễn theo dBd

2.1.6 Suy hao pha ̉ n xa ̣, tỉ số điện thế sóng đứng

Anten vi dải cấp nguờn bằng cáp đờng tru ̣c được sử du ̣ng rơ ̣ng rải trong các

hê ̣ thớng anten thơng minh Để anten hoa ̣t đơ ̣ng hiê ̣u quả thì cơng suất chuyển đổi cực đa ̣i phải nằm giữa phần cấp nguờn và anten Cơng suất chuyển đởi cực đa ̣i có thể chỉ xãy ra khi trở kháng ngỏ vào của anten (Zin) phới hợp với trở kháng nguờn cấp (Zs) Theo lý thuyết cơng suấ t chuyển đởi cực đa ̣i thì cơng suất cực đa ̣i được chuyển đởi khi và chỉ khi trở kháng nguờn là liên hiê ̣p phức của trở kháng anten khi xem xét và ngược la ̣i Nếu điều kiê ̣n này khơng thỏa thì mơ ̣t phần cơng suất sẻ phản

xạ trở la ̣i như sau:

S in i

r

Z Z

Z Z V

Suy hao phản xa ̣ được tính như sau:

Để có được sự phối hợp trở kháng hoàn toàn giữa hê ̣ thống cấp nguồn và anten thì Г = 0, do đó từ phương trình trên thì RL = ∞ Trong trường hợp không có công suất phát xa ̣ trở la ̣i thì tương tự với Г = 1, RL = 0 dB, có nghĩa là tất cả công suất tới được phản xa ̣ Trong ứng du ̣ng thực tế thì VSWR = 2 là chấp nhận được vì nó tương ứng với RL = 9.54 dB Thông thường suy hao phản xa ̣ nằm trong khoảng từ 10÷12dB