Trong kĩ thuật vô tuyến truyền tin ăngten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong việc thu phát thông tin, hình ảnh, âm thanh...giữa các thiết bị cần kết nối.Trong hệ thống mạng không dây, loại ăngten đơn giản và được sử dụng nhiều nhất là ăngten dạng tấm phẳng. Khoá luận này trình bày về một loại ăngten như vậy: ăngten mạch dải tấm phẳng hình chữ nhật phân cực tròn. Ưu điểm đặc biệt của ăngten này là khi hướng thu thay đổi thì ăngten vẫn có thể bắt được tín hiệu. Lý thuyết đường dây được sử dụng để tính toán cho các thông số đặc trưng và kích thước của ăngten. Đó là mẫu ăngten được thiết kế nhằm phục vụ cho các ứng dụng trong hệ thống WLAN với tần số trung tâm f = 2.43GHz, thuộc băng tần thấp ISM (2.4000Ghz – 2.4835Ghz).
Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp Đại học quốc gia hà nội trờng đại học công nghệ Nguyễn Gia Lợi THIếT Kế Anten mạch dải phân cực tròn DùNG CHO MạNG hệ wlan Khoá luận tốt nghiệp đại học hệ quy Ngành: Viễn thông Hà néi – 2005 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá lun tt nghip ĐạI HọC QuốC GIA Hà NộI TRƯờng đại học công nghệ Nguyn Gia Li THIếT Kế ANTEN MạCH DảI PHÂN CựC TRòN DùNG CHO MạNG wLAN KHOá LUậN TốT NGHIệP ĐạI HọC Hệ CHíNH QUY Ngành: Viễn thông Cán hớng dẫn: GS.TSKH Phan Anh Cán đồng hớng dẫn: CN.Trần Ngọc Hng Hà nội - 2005 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp TĨM TẮT NỘI DUNG Trong kĩ thuật vơ tuyến truyền tin ăngten phận quan trọng thiếu việc thu phát thơng tin, hình ảnh, âm thiết bị cần kết nối.Trong hệ thống mạng không dây, loại ăngten đơn giản sử dụng nhiều ăngten dạng phẳng Khoá luận trình bày loại ăngten vậy: ăngten mạch dải phẳng hình chữ nhật phân cực tròn Ưu điểm đặc biệt ăngten hướng thu thay đổi ăngten bắt tín hiệu Lý thuyết đường dây sử dụng để tính tốn cho thơng số đặc trưng kích thước ăngten Đó mẫu ăngten thiết kế nhằm phục vụ cho ứng dụng hệ thống WLAN với tần số trung tâm f = 2.43GHz, thuộc băng tần thấp ISM (2.4000Ghz – 2.4835Ghz) Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong suốt bốn năm học vừa qua, mái trường ĐHCông Nghệ - ĐHQG Hà nội em học hỏi, trau dồi nhiều kiến thức biét điều bổ ích Em xin chân thành cảm ơn tất thầy nhiệt tình giúp đỡ em q trình học tập thực hành Hơm em hồn thành xong khố luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Anh giúp đỡ em biết cách hiểu nghiên cứu đề tài Em xin chân thành cảm ơn anh Trần Ngọc Hưng nhiệt tình trực tiếp giúp đỡ em suốt q trình làm khố luận Cảm ơn anh chị phòng viễn thơng Nguyễn Gia Lợi Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG GIỚI THIỆU CHƯƠNG I : HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĂNGTEN 1.1 Hệ phương trình Maxell 1.2 Các thông số đặc trưng Ăngten 1.2.1 Trở kháng vào Ăngten 1.2.2 Đồ thị phương hướng biên độ 1.2.3 Hệ số định hướng hệ số tăng ích 10 1.2.3.1 Hệ số định hướng 10 1.2.3.2 Hệ số tăng ích .11 1.2.3.3 Hàm phương hướng hệ ăngten 12 1.2.4 Hệ số phẩm chất, độ rộng băng tần hiệu suất 14 CHƯƠNG II :LÝ THUYẾT ĂNGTEN MẠCH DẢI 16 2.1 Những đặc tính 16 2.2 Các phương pháp tiếp điện cho Ăngten mạch dải 18 2.3 Các phương pháp phân tích .20 2.4 Phân tích Ăngten mạch dải theo phương pháp hốc cộng hưởng .21 2.5 Phân cực tròn 32 CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĂNGTEN MẠCH DẢI PHÂN CỰC TRÒN DÙNG TRONG MẠNG WLAN 38 3.1 Lý thuyết đường dây .38 3.1.1 Hiệu ứng đường biên 38 3.1.2 Kích thước hiệu dụng tần số cộng hưởng 39 3.1.3 Điện dẫn 40 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp 3.1.4 Phối hợp trở kháng 42 3.2 Mơ hình thiết kế kết .46 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 49 Phụ lục Mơ hình thiết kế ăngten mạch dải phân cực tròn sử dụng phần mềm Ansoft Designer 49 Phụ lục Hệ số phản xạ (RL) ăngten .49 Phụ lục Hệ số sóng đứng (VSWR) ăngten 50 Phụ lục Phân bố dòng bề mặt ăngten 50 Phụ lục Giản đồ xạ ăngten 51 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1-1 Đồ thị phương hướng ăngten tọa độ cực toạ độ vng góc Hình 1-2 Đồ thị phương hướng Ăngten 13 Hình 1-3 Băng tần 15 Hình 2-1 Ăngten mạch dải hệ toạ độ 17 Hình 2-2 Các dạng ăngten điển hình 18 Hình 2-3 Các phương pháp tiếp điện 20 Hình 2-4 Các mạch điện tương đương ứng với loại tiếp điện 20 Hình 2-5 Sự phân bố điện tích hình thành mật độ dòng 21 Hình 2-7 Cấu hình trường ăngten mạch dải 26 Hình 2-8 Mật độ dòng tương đương cho bốn mặt bên 27 Hình 2-9 Khe xạ mật độ dòng từ tương đương 29 Hình 2-10.Phổ xạ mặt phẳng sở 29 Hình 2-11a Mật độ dòng khe mạch dải 30 Hình 2.11b Phổ xạ mặt phẳng E H ăngten mạch dải 32 Hình 2-12:Tạo phân cực tròn cho tròn hình chữ nhật 33 Hình 2-13: Tạo phân cực tròn với vng,a) Tiếp điện vào góc vng b) ,c) Tiếp điện cực dò dịch chuyển 35 Hình 2-14: Tạo phân cực tròn với khe nhỏ nằm 37 Hình 2-15: Tạo phân cực tròn với vng cắt góc Elíp 37 Hình 3-1 Đường vi dải, đường sức điện trường số điện môi hiệu dụng 39 Hình 3-2 Quan hệ εreff tần số 39 Hình 3-3 Chiều dài hiệu dụng chiều dài vật lý ăngten 40 Hình 3-4 Ăngten chữ nhật phương pháp đường dây 41 Hình 3-5 Dẫn nạp G hàm độ rộng khe 42 Hình 3-6 Phương pháp đường dây 45 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp GIỚI THIỆU Hiện khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng đặc biệt kỹ thuật vô tuyến điện Trong phát triển kỹ thuật vơ tuyến điện khơng thể khơng đề cập đến vấn đề thiết kế Ăngten Năng lượng điện từ truyền khơng gian thực theo hai cách: • Dùng hệ truyền dẫn nghĩa hệ dẫn sóng điện từ đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại điện mơi… Sóng truyền hệ thống gọi sóng điện từ ràng buộc • Bức xạ sóng khơng gian Sóng truyền khơng gian sóng điện từ tự Ăngten phận thiếu hệ thống vô tuyến điện Ví dụ hệ thống liên lạc vơ tuyến đơn giản bao gồm: máy phát,máy thu, Ăngten phát, Ăngten thu Đường truyền lượng điện từ máy phát Ăngten phát máy thu Ăngten thu gọi Fiđe Trong hệ thống máy phát có nhiệm vụ tạo sóng điện từ cao tần để cấp cho Ăngten phát, Ăngten có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc truyền fiđe thành sóng điện từ tự truyền khơng gian Cấu trúc Ăngten phát định đặc tính biến đổi sóng điện từ khơng gian Ăngten thu có nhiệm vụ thu sóng điện từ tự khơng gian biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc fiđe Ăngten ứng dụng rộng rãi hệ thống vơ tuyến truyền thanh, truyền hình, vơ tuyến điều khiển từ xa… Ăngten sử dụng hệ mục đích khác có u cầu khác Với đài phát đài truyền hình Ăngten xạ đồng mặt phẳng ngang mặt đất đài thu hướng thu tin hiệu đài phát Trong thông tin mặt đất vũ trụ, thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển u cầu Ăngten xạ với hướng tính cao Tóm lại Ăngten thiết bị quan trọng hệ thống thông tin vô tuyến điện, nhiệm vụ biến đổi lượng điện từ mà xạ theo hướng xác định Sự phát triển kỹ thuật lĩnh vực thông tin rađa điều khiển … đòi hỏi Ăngten khơng đơn làm nhiệm vụ xạ hay thu sóng điện từ mà tham gia vào q trình gia cơng tín hiệu Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện với thiết bị Ăngten biểu diễn hình vẽ bên Hệ thống cung cấp Hệ thống xạ Hệ thống cảm thu Hệ thống gia cơng tín Máy phát Thiết bị điều chế Thiết bị xử lý tín hiệu Máy thu Ăngten phát Hệ thống phát Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB Ăngten thu Hệ thống thu Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khố luận tốt nghiệp CHƯƠNG I : HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĂNGTEN 1.1 Hệ phương trình Maxell Có thể nói tồn lý thuyết Ăngten xây dựng sở phương trình điện động lực học: Đó phương trình Maxell Các phương trình có ý nghĩa quan trọng lý thuyết nghiên cứu trường điện từ biến thiên có khả tạo sóng điện từ khơng gian Cho đến năm 1887 khả Hertz thực thực nghiệm với việc tạo phần tử xạ mang tên ông: Dipol Hertz Chúng ta khảo sát sơ hệ phương trình Maxell Các phương trình Maxell dạng vi phân biểu diễn dạng: rotH = iωε p E + J e rotE = − iωµ H ρe divE = ε divH = ⎫ ⎪ ( II ) ⎪ ⎪ ⎬ ( III )⎪ ⎪ ( IV ) ⎪⎭ (I ) (1.1) đó: E , biên độ phức véctơ cường độ điện trường, H , biên độ phức vectơ cường độ từ trường, ε p = ε (1 − i ampe A ( ); met m σ ) , hệ số điện thẩm phức môi trường; ωε ε , hệ số điện thẩm tuyệt đối môi trường, Đối với môi trường chân không ε = ε = µ , hệ số từ thẩm môi trường, Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB von V ( ); met m fara F ( ); met m) 10 −9 F ; 36π m henri H ( ); met m Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĂNGTEN MẠCH DẢI PHÂN CỰC TRÒN DÙNG TRONG MẠNG WLAN 3.1 Lý thuyết đường dây Có thể xem ăngten mạch dải hình chữ nhật gồm hai khe, ngăn trở kháng nhỏ Z, đường dây có độ dài L 3.1.1 Hiệu ứng đường biên Xảy gờ dọc theo chiều dài chiều rộng ăngten Điều minh hoạ hai khe xạ dọc theo chiều dài L hình 2.1(a,b) Đại lượng hàm kích thước ăngten chiều dày lớp điện môi Trong mặt phẳng E sở (mặt phẳng xy) tỷ số L/h >> 1, hiệu ứng giảm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng ăngten Đường dây minh hoạ hình 3-1(a) đường sức điện trường hình 3-1(b) Bình thường, đường sức xuất lớp điện mơi lớp khơng khí Khi W/h >> 1, εr >> 1, chúng tập trung hầu hết lớp điện mơi dẫn đến kích thước điện đường vi dải lớn kích thước vật lý nó, sinh số điện môi hiệu dụng εreff Hằng số định nghĩa cho đường vi dải hình 3-1(c) có tính chất đường dây thực hình 3-1(a) Khi số tăng, đường sức điện trường tập trung lớp điện mơi, đường vi dải coi đường đồng điện môi giá trị εreff gần đến εr (a) đường vi dải (b) đường sức điện trường (c) số điện môi hiệu dụng Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB 38 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khố luận tốt nghiệp Hình 3-1 Đường vi dải, đường sức điện trường số điện môi hiệu dụng với tỷ số W/h > 1, số điện mơi hiệu dụng tính ε reff h⎤ ε + εr − ⎡ 12 = r + + 2 ⎢⎣ W ⎥⎦ − (3-1) Hình 3-2 Quan hệ εreff tần số 3.1.2 Kích thước hiệu dụng tần số cộng hưởng Chiều dài chiều rộng ngten tính theo công thøc : W = c ε r + −1 / ( ) fr (3-2) W + 0.264 ) ∆L h = 0.412 W h + 0.8) ( ε r - 0.258)( h ( ε r + 0.3 )( Chiều dài hiệu dụng ăngten: Leff = L + 2∆L (3-3a) (3-3b) Tần số cộng hưởng: ( fr )010 = L εoµo εr = vo L εr (3-4) tính đến hiệu ứng đường biên Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB 39 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội ( frc )010 = L eff ε oµ o ε reff Khố luận tốt nghiệp = = q 2( L + ∆ L ) ε oµ o ε reff L ε oµo ε r = q (3-5) vo L εr q hệ số đường biên q = ( f rc )010 ( f r )010 (3-6) µo số từ thẩm chân không (= 4π.10-7 H/m) εo số điện môi chân không (=10-9/36π F/m) ∆L ∆L W L (a) Mặt (b) mặt bên Hình 3-3 Chiều dài hiệu dụng chiều dài vật lý ăngten 3.1.3 Điện dẫn Mỗi khe xạ biểu diễn độ dẫn tương đương Y (gồm điện dẫn G điện nạp B) (hình 3-4) Các khe đánh số 1,2 Độ dẫn tương đương khe thứ (có chiều rộng vơ lớn, đồng nhất) Y1 = G1 + jB1 (3.7) khe có kích thước W hữu hạn Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB 40 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội G1 = B1 = W 120 λo ⎡ 2⎤ ⎢1 − 24 (koh ) ⎥ ⎦ ⎣ W [1 − 0.636 ln( koh )] 120 λo (a) phẳng xạ Khoá luận tốt nghiệp h λo h λo < < 10 (3-8) 10 (b) độ dẫn tương đương Hình 3-4 Ăngten chữ nhật phương pháp đường dây tương tự với khe thứ hai ta có Y = Y ; G2 = G1 ; B2 = B1 điện dẫn G định nghĩa 2Prad G1 = Vo (3-9) sử dụng công thức điện trường, công suất xạ cho Prad ⎡ ⎛ koW ⎞⎤ sin⎜ cos θ ⎟ ⎥ ⎢ Vo π ⎠ ⎥ dθ ⎝ = ∫o sin θ ⎢ ⎢ ⎥ 2πηo cos θ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (3-10) suy điện dẫn (3.10) G1 = I1 120 π (3-11) Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB 41 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp ⎡ ⎛ koW ⎞⎤ cos θ ⎟ ⎥ ⎢ sin⎜ sin( X ) π ⎠⎥ I = ∫o ⎢ ⎝ sin θ dθ = −2 + cos( X ) + XSi ⎛⎜⎝ X ⎞⎟⎠ + ⎢ ⎥ cos θ X ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (3-12) X = koW làm tròn biểu thức ta có ⎧ ⎛ W ⎞2 ⎪ ⎜ ⎟ ⎪ 90 ⎝ λo ⎠ G1 = ⎨ ⎪ ⎛W ⎞ ⎜ ⎟ ⎪ ⎩ 120 ⎝ λo ⎠ W > λo (3.13) Hình 3-5 Dẫn nạp G hàm độ rộng khe 3.1.4 Phối hợp trở kháng Giả thiết hai khe cách mơt khoảng λ/2 (λ bước sóng lớp điện môi), độ dẫn khe thứ hai là: ~ ~ ~ Y = G + jB = G − jB (3-14) hay Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB 42 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp ~ G = G1 (3-15) ~ B = − B1 điều khẳng định dẫn nạp lối vào đại lượng thực ~ Yin = Y + Y = 2G (3.16) nghĩa trở kháng vào Z in = Y in = Rin = (3.17) G1 tính đến ảnh hưởng qua lại hai khe Rin = 2( G1 ± G12 ) (3-18) dấu (+) phân bố điện áp hai khe không đồng dấu (-) phân bố điện áp hai khe đồng G12 định nghĩa G12 = Vo Re ∫∫S E × H ∗2 • dS (3-19) E1 điện trường khe thứ H2 từ trường khe thứ hai Vo điện áp qua khe (phép tính tích phân thức quanh mặt cầu S bán kính vơ lớn) tính toán cho thấy G12 ⎡ ⎛ k0 W ⎞⎤ sin⎜ cos θ ⎟ ⎥ ⎢ π ⎢ ⎝ ⎠⎥ = J (k L sin θ ) sin θ dθ ∫ ⎢ ⎥ 120 π cos θ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (3-20) (Jo hàm Bessel bậc không) Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB 43 Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp Với ăngten mạch dải thông thường, trở kháng G12 sinh ảnh hưởng qua lại khe nhỏ nhiều so với trở kháng G1 Theo công thức cho, điện trở lối vào không phụ thuộc độ dày lớp điện môi h Thực vậy, giá trị h nhỏ koh