Thiết kế hệ thống ANTEN vòng cho ứng dụng Wlan 2.4 GHz

Đo công suất tín hiệu của anten lưỡng cực nửa sóng thông thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, đo các thông số tán xạ S bằng máy Vecto

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LƯƠNG VINH QUỐC DANH

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 31 tháng 12 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- -o0o -

Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VÕ HỒNG NGÂN MSHV: 11810080

Ngày, tháng, năm sinh: 13/ 10/ 1987 Nơi sinh: Tiền Giang

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã Số: 605270

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu và thiết kế anten vòng phân cực kép cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz

- Mô phỏng trên phần mềm HFSS 13.0.2 và thi công thực tế

- Đo các thông số tán xạ S bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8 và

so sánh với kết quả mô phỏng Đo cường độ sóng của anten lưỡng cực nửa sóng thông thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, so sánh và đánh giá kết quả

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Ngày 10 Tháng 02 Năm 2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 14 Tháng 11 Năm 2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LƯƠNG VINH QUỐC DANH

Tp HCM, ngày tháng năm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy TS Lương Vinh Quốc Danh,

đã tận tình chỉ bảo cùng những tài liệu quý báu của thầy đã giúp em hoàn thành

luận văn này Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trường Đại học

Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa qua Xin cảm ơn các bạn học viên và những người thân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc khó khăn trong thời gian thực hiện

Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên đề tài sẽ không tránh khỏi sai sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp xây dựng của quý Thầy, Cô và các bạn học viên để có thể tiếp tục phát triển

và hoàn thiện hướng nghiên cứu của mình

TP Hồ Chí Minh, Tháng 12/2014

Võ Hồng Ngân

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Để giảm suy hao trong quá trình truyền, nhận tín hiệu thì việc phù hợp phân cực ở cả hai anten phát và thu là một vấn đề quan trọng Bên cạnh đó để tiết kiệm các trạm gốc khi không gian có hạn cũng là vấn đề đáng quan tâm Sử dụng anten phân cực kép được trình bày ở đây là một giải pháp tốt hơn giữa truyền và nhận của hai anten, tiết kiệm không gian, làm giảm tác dụng của phản xạ đa đường (multipath fading), …

Ở đây luận văn tập trung giới thiệu một anten phân cực kép có khả năng hoạt động ở dải tần WLAN (Wireless Local Area Network) 2.4 GHz Anten được thiết

kế bao gồm một tấm mạch in FR-4 tròn với ba anten vòng được sắp xếp xoay vòng

120o theo cấu trúc đối xứng Bản mạch in FR-4 được đặt cách tấm phản xạ một khoảng cách nhỏ Kích thước của anten và vị trí đặt ngõ vào (port) tiếp tín hiệu sử dụng cáp đồng trục được tối ưu để có được sóng phân cực kép, tần số cộng hưởng 2.44 GHz, độ lợi đỉnh lớn hơn 8-dBi, và độ cách ly giữa hai ngõ vào dưới – 20 dB Bên cạnh đó băng thông được cải thiện để sử dụng được nhiều dịch vụ mạng hơn Các kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả đo đạc thực tế Anten có thể được sử dụng cho các access point (AP) dải tần 2.4 GHz có hệ thống anten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 3x3

Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Ansoft HFSS và được thi công trên PCB FR-4 có hằng số điện môi εr = 4.6, độ dày là 1.6 mm Đo công suất tín hiệu của anten lưỡng cực nửa sóng thông thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, đo các thông số tán xạ S bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8

Abstract

To reduce loss during signal transmitting and receiving, the appropriate polarization at both transmitter and receiver antennas is an important issue In addition, saving the base station in condition of narrow space is also concerned Using dual-polarized antenna, which is presented in this thesis, is a better solution between transmitted and received signals of the two antennas, help to save space and reduce effects of multipath fading as well

This thesis will focus on introducing a dual-polarized antenna capable of operating in the frequency range of the WLAN (Wireless Local Area Network) 2.4GHz A designed antenna includes an FR-4 printed circuit boards with three circular loop antennas are arranged 120° rotation with symmetry structure FR-4 PCB is placed far away the reflector with a small distance The size of the antenna and the placement of input (port) to the signal using a coaxial cable, which is optimized for dual-polarized waves, the resonant frequency of 2.44 GHz, the peak gain is greater than 8-dBi, and the isolation between the inputs below - 20 dB In addition, the bandwidth can be improved to use for multi-network services The simulation results match the actual measurement results Antenna can be used for the access points (APs) with 2.4 GHz frequency range, which has MIMO antenna systems (Multiple-Input Multiple-Output) 3x3

The simulation is performed on Ansoft HFSS and be constructed on FR-4 PCB with dielectric constant εr = 4.6, thickness of 1.6 mm Measuring the signal power by half-wavelength dipole antenna usually marketed compared with the antenna design by EMC Analyzer E7405 machine and Netstumbler software, measuring the scattering parameters S by Vector Network Analyzer - R & S ZBV8 machine

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài “Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz” dưới sự hướng dẫn của TS Lương Vinh Quốc Danh Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là

do chính tôi thực hiện và chưa có phần nội dung hay kết quả nào của luận văn này được công bố trên tập chí hay nộp để lấy bằng trên các trường đại học nào đó, ngoại trừ các kết quả tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014

Học viên

Võ Hồng Ngân

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1 1 Đặt vấn đề 1

1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết 3

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 4

2.1 Giới thiệu chung về anten 4

2.2 Hệ phương trình Maxwell 6

2.3 Đặc tính bức xạ điện từ của anten 7

2.4 Đặc tính của đường dây truyền sóng 8

2.4.1 Bước sóng (Wavelenght) 8

2.4.2 Trở kháng đặc tính (characteristic impedance) 9

2.4.3 Phối hợp trở kháng 9

2.4.4 Hệ số phản xạ (Γ) 10

2.4.5 Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng 10

2.4.6 Tổn hao phản xạ (Return loss) 11

2.5 Các thông số đặc trưng của anten 11

2.5.1 Trở kháng vào của anten 11

2.5.2 Hệ số định hướng và độ tăng ích 12

2.5.3 Giản đồ bức xạ (Radiation pattern) 13

2.5.4 Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ 16

2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 18

2.5.6 Hiệu suất của anten (et) 19

2.5.7 Tính phân cực của anten 20

2.5.8 Dải tần của anten 21

2.6 Các hệ thống anten 22

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI 24

3.1 Giới thiệu 24

3.2 Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển 25

3.3 Cấu tạo 25

3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu 26

3.4.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 27

3.4.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 28

3.4.3 Tiếp điện bằng cách ghép khe 29

3.4.4 Tiếp điện bằng cách ghép lân cận 30

3.5 Nguyên lý hoạt động của antenna vi dải 31

3.6 Tính phân cực của anten vi dải 32

3.7 Dải tần anten vi dải 33

3.8 Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải 36

3.8.1 Mô hình đường truyền 37

3.8.2 Mô hình hốc cộng hưởng 39

3.8.3 Mô hình sóng đầy đủ 41

3.8.4 Phương pháp phần tử hữu hạn 41

3.9 Một số loại anten vi dải cơ bản 41

3.10 Anten vòng 44

3.11 Tóm tắt 48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC 49

4.1 Phương pháp thiết kế anten 49

4.1.1 Cơ sở thiết kế anten 49

4.1.2 Tính toán các thông số kỹ thuật cho anten 50

4.1.3 Phương pháp tiếp điện cho anten 52

4.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá anten 52

4.1.5 Tối ưu các thông số kỹ thuật cho anten 52

4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS 53

4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế 72

4.4.1 Hình ảnh thực tế của anten 72

4.4.2 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế 73

4.4.3 Kết quả đo đạc độ lợi trên anten thực tế 76

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 81

5.1 Kết luận 81

5.2 Đề nghị 81

DANH SÁCH HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 4

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1] 6

Hình 2.2: Mô hình đường truyền sóng 9

Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1] 11

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1] 13

Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1] 14

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1] 14

Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính 16

Hình 2.8: Sự quay của vector điện trường 20

Hình 2.9: Các loại phân cực [2] 21

Hình 2.10: Độ rộng băng thông 22

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI 24

Hình 3.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn [1] 26

Hình 3.2: a Tiếp điện bằng đường truyền vi dải, b Mạch điện tương đương 27

Hình 3.3: a Tiếp điện bằng cáp đồng trục, b Mạch điện tương đương 28

Hình 3.4: Hình dạng của Mini - coaxial 29

Hình 3.5: a Tiếp điện bằng cách ghép khe, b Mạch điện tương đương 30

Hình 3.6: a Tiếp điện bằng ghép đôi lân cận, b Mạch điện tương đương 30

Hình 3.7: Tường bức xạ E và H của antenna vi dải [1] 31

Hình 3.8: Anten vòng xoay dẫn nạp một góc 45o 32

Hình 3.9 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [8] 34

Hình 3.10: Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [8] 34

Hình 3.11: Các dạng ghép kí sinh [8] 35

Hình 3.12: Tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U [8] 36

Hình 3.13 Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L [8] 36

Hình 3.14: (a) Đường vi dải [1], (b) Các đường điện trường [1] 37

Hình 3.15: Trường phân bố [1] 38

Hình 3.16: Mật độ điện tích và dòng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [1] 39

Hình 3.17: Các dạng tấm bức xạ anten vi dải 42

Hình 3.18: Một vài dipole mạch in và vi dải [8] 43

Hình 3.19: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện [8] 43

Hình 3.20: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [8] 44

Hình 3.21 : Biên độ và pha của anten vòng tròn nhỏ [1] 46

Hình 3.22: Độ định hướng của anten vòng khi θ = 0, π [1] 46

Hình 3.23: Trở kháng ngõ vào của anten vòng tròn [1] 48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC 49

Hình 4.1: Anten vòng tham khảo [3] 49

Hình 4.2: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu 50

Hình 4.3: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu 50

Hình 4.4: Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS 53

Hình 4.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten 53

Hình 4.6: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten 54

Hình 4.7: Đồ thị bức xạ của anten 54

Hình 4.8: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 55

Hình 4.9: Tỷ số sóng đứng (VSWR) 55

Hình 4.10: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) 56

Hình 4.11: Phân bố dòng điện của anten 1 56

Hình 4.12: Đồ thị trường E θ, E ϕ khi xoay dẫn nạp 45o 57

Hình 4.13: Đồ thị trường E θ, E ϕ khi không xoay dẫn nạp 57

Hình 4.14: Đồ thị trường E θ , E ϕ khi xoay dẫn nạp 90o 58

Hình 4.15: Anten cắt khe cải thiện băng thông 59

Hình 4.16: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten khi cắt khe 59

Hình 4.17: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten khi cắt khe 60

Hình 4.18: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi cắt khe 60

Hình 4.19: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten khi cắt khe 61

Hình 4.20: Tỷ số sóng đứng (VSWR) của anten khi cắt khe 61

Hình 4.21: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten khi cắt khe 62

Hình 4.22: Phân bố dòng điện của anten khi cắt khe 62

Hình 4.23: Đồ thị trường E θ, E ϕ khi anten cắt khe 63

Hình 4.24: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o 63

Hình 4.25: Độ lợi của anten cắt khe nhỏ 64

Hình 4.26: Độ định hướng của anten cắt khe nhỏ 64

Hình 4.27: Đồ thị bức xạ của anten cắt khe nhỏ 65

Hình 4.28: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten cắt khe nhỏ 65

Hình 4.29: Tỷ số sóng đứng của anten cắt khe nhỏ 66

Hình 4.30: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten cắt khe nhỏ 66

Hình 4.31: Phân bố dòng điện của anten cắt khe nhỏ 67

Hình 4.32: Đồ thị trường E θ , E ϕ của anten khi cắt khe nhỏ 67

Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế 72

Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11 73

Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22 73

Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33 74

Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21 74

Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31 75

Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32 75

Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải tần 100 MHz – 8 GHz 76

Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải tần 2-3GHz 76

Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tại tần số 2.44 GHz 78

Hình 4.43: Đo anten vòng tại tần số 2.44 GHz 78

Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng 79

Hình 4.45: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) 80

Hình 4.46: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền có che chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight) 80

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 81

DANH SÁCH BẢNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 4

Bảng 2.1: Quy ước về các dải tần số 23

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI 24

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC 49

Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi bán kính vòng 68

Bảng 4.2: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi độ dày của vòng anten 69

Bảng 4.3: Thống kê kết quả mô phỏng anten vòng khi thay đổi đường kính mặt phản xạ 70

Bảng 4.4: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách giữa tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ 70

Bảng 4.5: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng 71

Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ của anten lưỡng cực nửa sóng và anten vòng 78

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 81

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

GSM Global System for Mobile communication

DCS Digital Communication System

PCS Personal Communication System

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

CMPA Circular Microtrip Patch Antenna

CMP Circular Microstrip Patch

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

SWR Standing Wave Ratio

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power

FDTD Finite Diference Time Domain

TEM Transverse Electric Magnetic

MPA Microstrip Patch Antenna

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

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

Điện trường theo phi

Điện trường theo theta

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

μ Hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

σ Điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

Vi và Ii Điện thế và dòng điện sóng tới

Pt Công suất đi đến tải

Pr Công suất phản xạ

Vmax, Imax Điện áp và dòng điện cực đại không đổi trên đường dây

Vmin, Imin Điện áp và dòng điện cực đại 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 (maximum radiation intensity) [W/Sr]

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

Prad Công suất bức xạ [W]

D Kích thước lớn nhất của anten

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

da Vi phân diện tích của bề mặt (m2)

W rad Là mật độ bức xạ (W/m2)

EIRP Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent Isotropically

Radiated Power)

PT Công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten

GT Hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

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 của băng thông

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

ae Là bán kính hiệu dụng của tấm tấm bức xạ [m]

a Là bán kính của tấm tấm bức xạ [m]

h Là độ dày của lớp điện môi [m]

S11, S22, S33 Tổn hao phản xạ (Return Loss)

S21, S31, S32 Cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports)

h1 Khoảng cách giữa tấm bức xạ và tấm phản xạ

h2 Độ dày lớp điện môi

Chương 1: GIỚI THIỆU

1 1 Đặt vấn đề

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, bên cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten như độ bền, trọng lượng anten phải nhẹ, kích thước anten phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point (AP) hay các thiết bị di động Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten

Và thực tế cho thấy trong truyền thông không dây thì sóng vô tuyến lan truyền không chỉ theo hướng trực tiếp mà còn theo nhiều hướng khác nhau qua quá trình phản xạ, tán xạ… rất phức tạp, nên đường truyền của sóng vô tuyến có thể bị thay đổi đáng kể Bên cạnh đó, các hệ thống truyền thông không dây hiện đại với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn giới hạn băng tần các kênh Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên Từ đó để tăng hiệu quả truyền nhận cũng như dung lượng kênh truyền của hệ thống thì việc sử dụng loại anten phân cực kép (dual polarization), có nhiều port vào ra cho hệ thống MIMO (multiple-input-multiple-output) thật sự là vấn đề bức thiết nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu

Xuất phát từ vấn đề thực tế trên đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten phân cực kép (tốt ở phân cực dọc và ngang) cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz, cụ thể là anten vi dải dạng vòng có đặc tính phân cực kép (bằng cách xoay điểm dẫn nạp) với tấm tấm bức xạ hình tròn đã được cải tiến trên nền mạch in FR-4, cùng với mặt phản xạ bằng nhôm với kích thước thích hợp cộng hưởng tại tần số 2.44 GHz Bên cạnh đó, do hạn chế của anten vi dải là băng thông hẹp nên đề tài sẽ cải thiện băng thông để anten có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng hơn Kết quả

mô phỏng trên máy tính (các thông số tán xạ S11, S22, S33, S21, S31, S32) được so sánh

qua việc đo đạc và so sánh sử dụng anten có độ lợi 2 dBi và một Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng.

1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề

Anten vi dải là loại anten được đề xuất đầu tiên bởi G A Deschamps vào năm 1953, sau đó nhanh chóng được phát triển điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten phân cực kép ở tần số 2,4 GHz và 5 GHz, Dau-Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hiệu suất cao…Cùng với các loại anten khác thì anten vi dải phân cực kép được xem là một trong các giải pháp để làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath fading) và đặc biệt phù hợp khi không gian có hạn vì có thể phát dữ liệu trên một phân cực và thu anten trên một phân cực khác một cách đồng thời Do đó có nhiều bài báo giới thiệu về các loại anten phân cực kép đã được công bố trong thời gian qua điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten vòng phân cực kép với hai vòng cộng hưởng ở hai tần số khác nhau, Saou-Wen Su với anten phân cực kép sử dụng vòng vuông có phần điều chỉnh phân cực Từ lịch sử phát triển nên tác giả chọn đề tài thiết kế một anten phân cực kép, có độ lợi cao, băng thông tương đối rộng, tiếp điện bằng cáp đồng trục với ba ngõ vào ứng dụng cho hệ thống WLAN dải tần 2.4 GHz làm mục tiêu nghiên cứu

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng của đề tài là thiết kế, mô phỏng ba anten vi dải dạng vòng lưỡng cực có ba port in trên chất nền FR4 tròn hoạt động ở dải tần 2.4 GHz Ba anten vi dải này sắp xếp xoay vòng trên bề mặt với một góc nghiêng bằng 120o để tạo thành một cấu trúc đối xứng sử dụng trong hệ thống MIMO WLAN Các anten này cùng chia sẻ dẫn nạp và nối đất chung thông qua một đoạn cáp đồng trục nhỏ (Mini-coaxial) Sau quá trình mô phỏng là quá trình thi công, đo đạc và đánh giá kết quả

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, đặc tính phân cực kép của các anten vi dải Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, tiến hành thiết kế cấu trúc, sau đó

mô phỏng để tối ưu các kích thước Cuối cùng tiến hành thiết kế một anten thực tế

có ba port với mặt phản xạ bằng nhôm và hoạt động ở dải tần 2.4 GHz

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết

Đề tài tập trung vào lĩnh vực thiết kế anten nên điều quan trọng trước hết là cần nắm rõ các kiến thức về trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật anten truyền sóng… nghiên cứu về các thông số cơ bản của anten, tìm hiểu anten vi dải, các đặc tính của anten vi dải, cũng như cách tính toán các thông số cho anten Xác định rõ các thông số kỹ thuật của tấm mạch in chế tạo anten cũng là điều rất quan

trọng

Tìm hiểu chương trình mô phỏng Ansoft HFSS 13.0.2, cách khởi tạo các vật thể trong HFSS, cách đặt các thông số để mô phỏng và xem kết quả Sau đó tiến hành thiết kế cấu trúc anten 3D và mô phỏng trên phần mềm, trong quá trình mô phỏng cần thống kê các kết quả mô phỏng, xem xét sự thay đổi các thông số của anten, ảnh hưởng qua lại của việc điều chỉnh kích thước anten với kết quả mô phỏng để tiện cho việc điều chỉnh sau này

Tiến hành thiết kế anten thực tế khi thấy các kết quả mô phỏng đạt yêu cầu Dùng máy đo chuyên dụng để đo đạc anten thực tế từ đó so sánh với kết quả mô phỏng Xem xét và điều chỉnh anten sao cho thỏa mãn và phù hợp các yêu cầu trong thực tế Bước cuối cùng là hoàn chỉnh anten và đem ứng dụng vào thực tế

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN

2.1 Giới thiệu chung về anten

Thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự

do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong Hình 2.1 Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là feeder Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo feeder tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy, anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện, đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc

Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng

có loại rất phức tạp [1] Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:

 Anten đường (Wire Antennas): là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi nơi như ô tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, .Nó gồm anten đường thẳng (anten lưỡng cực), anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix) Trong đó anten vòng không những có dạng tròn mà còn ở dạng vuông, chữ nhật, ellip, nhưng anten vòng tròn thì được sử dụng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản

 Anten góc mở (Aperture Antennas): nó có dạng như hình nón, hình kim tự tháp hay ống dẫn sóng Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trước đây vì nhu cầu hình thức anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn Loại anten này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ

 Anten vi dải (Microstrip Antennas): anten này gồm một miếng kim loại mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi Miếng kim loại có thể có nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn, Anten này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành

thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm tay,

 Anten dãy (Array Antennas): nhiều ứng dụng đòi hỏi các đặc tính bức xạ

mà không thể đạt được ở một anten duy nhất Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc tính bức xạ của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả mong muốn

 Anten phản xạ (Re ector Antennas): do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng cách lớn, hình thức anten tinh vi đã được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi hàng triệu dặm Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc

 Anten ống kính (Lens Antennas): ống kính được sử dụng chủ yếu để chuẩn trực năng lượng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hướng không mong muốn Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ

có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lượng khác nhau vào sóng mặt Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hướng (Omni-Directional) và anten định hướng (Directional) Anten vô hướng là anten truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hướng theo trục ngang (song song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1]

2.2 Hệ phương trình Maxwell

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

điện động lực học đó là các phương trình Maxwell

Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn quy luật sint, cost dưới dạng phức eit

)cos(



e

E div  (2.2c)

div H 0 (2.2d)

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

H là 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)

σ : điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

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

e

i H

rot    (2.4a)

m J H i E

rot    (2.4b)



m E

div  (2.4c)



e H

div  (2.4d) Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H Trong phương trình nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền

2.3 Đặc tính bức xạ điện từ của anten

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức

xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để hiểu rõ hơn về đặc tính bức xạ điện từ của anten ta xét ví dụ sau: một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự

do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

2.4 Đặc tính của đường dây truyền sóng

Để thiết kế một thiết bị siêu cao tần, việc đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt nhất, chúng ta cần phải hiểu rõ các thông số đặc tính của đường dây truyền sóng

c f

Xét một tần số nào đó thì vận tốc truyền sóng trong các môi trường khác sẽ

nhỏ hơn vận tốc truyền sóng trong không gian Do hằng số điện môi của các môi

trường khác thường lớn hơn hằng số điện môi của môi trường chân không vì thế

bước sóng sẽ ngắn hơn Điều này tạo một lợi thế cho việc chế tạo các anten trên

mạch in Ví dụ: xét tần số WLAN là 2.4 GHz thì bước sóng trong không khí λ0 ≈

125 mm, bước sóng trên tấm mạch in FR-4 λ là khoảng 66 mm

2.4.2 Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance)

Trở kháng đặc tính Z0 là tỉ số điện áp và dòng điện tại các điểm cách đều

nhau dọc theo đường truyền

t cons I

V I

V I

1

0      (2.6)

Hình 2.2: Mô hình đường truyền sóng Trong trường hợp tổng quát, Z0 là một đại lượng phức, biến đổi theo tần số

và phụ thuộc vào cấu trúc đường truyền Nhưng phần lớn các đường dây truyền

sóng được giả sử có trở kháng đặc tính Z0 = R0 là một hằng số thực Ta thường gặp

các đường dây truyền sóng có trở kháng R0 = 50Ω, R0 = 75Ω, R0 = 300Ω hoặc R0 =

600Ω

2.4.3 Phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng là cách để truyền tải tối đa công suất từ nguồn tới tải

Đường dây được phối hợp trở kháng khi trở kháng tải ZL bằng với trở kháng đặc

tính của đường dây Z0, ngược lại khi ZL ≠ Z0 đường dây bị mất phối hợp trở kháng

Giá trị giữa ZL và Z0 càng khác xa nhau thì sự mất phối hợp trở kháng càng lớn Để

truyền tín hiệu có hiệu quả thì trở kháng của anten và trở kháng của cáp truyền dẫn

phải giống nhau Thông thường sử dụng cho WLAN, người ta thiết kế trở kháng có

giá trị là 50Ω

2.4.4 Hệ số phản xạ (Γ)

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm bất kỳ trên đường dây truyền sóng là tỷ

số giữa sóng điện áp phản xạ với sóng điện áp tới tại điểm đó Hệ số phản xạ điện

áp cũng bằng với hệ số phản xạ dòng điện

i r i

r I

I V

V





 (2.7) Trong đó:

Γ: hệ số phản xạ

Vr và Ir: điện thế và dòng điện sóng phản xạ

Vi và Ii : điện thế và dòng điện sóng tới

Ngoài ra, hệ số phản xạ còn được tính dựa vào trở kháng tải ZL và trở kháng đặc tính của đường dây Z0 hoặc tỉ số giữa công suất đi đến tải Pt với công suất phản

xạ Pr

r t L

L

P

P Z

Z

Z Z

(2.8)

2.4.5 Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng

Hiện tượng sóng đứng (Standing wave): khi sóng truyền trên một đường truyền mà tải không phối hợp trở kháng, sẽ có sóng phản xạ từ tải về nguồn Với nguồn tín hiệu hình sin với một tần số cố định, sóng tới và sóng phản xạ sẽ có hiện tượng giao thoa Tại điểm tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ đồng pha, biên độ sóng tổng hợp bằng tổng biên độ 2 thành phần, nó đạt giá trị cực đại và ta gọi nó là điểm bụng sóng Tại điểm tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ ngược pha, biên độ sóng tổng hợp bằng hiệu biên độ 2 thành phần, nó đạt giá trị cực tiểu và ta gọi nó là điểm nút

Tỷ số sóng đứng điện áp VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) thường gọi tắt là tỉ số sóng đứng SWR (Standing Wave Ratio) là tỉ số giữa biên độ cực đại và biên độ cực tiểu của điện áp tổng hoặc dòng điện tổng Tỉ số sóng đứng thường được định nghĩa cho đường truyền không tổn hao Khi đó các giá trị biên độ Vmax,

Vmin, Imax, Imin có giá trị không đổi trên suốt chiều dài của đường dây

max

I

I V V VSWR (2.9)

2.4.6 Tổn hao phản xạ (Return loss)

Tổn hao phản xạ là một cách khác để biểu diễn cho sự mất phối hợp trở kháng Nó được dùng để so sánh công suất phản xạ từ anten với công suất của máy phát Công thức xác định tổn hao phản xạ:

r

i P

P dB

loss turn ( ) 20 log10 10 log10

Re     (2.10)

2.5 Các thông số đặc trưng của anten

2.5.1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten Z A bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số

giữa điện áp U A đặt vào anten và dòng điện I A trong anten

Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1]

A A A

Thành phần thực của điện trở vào R A được xác định bởi công suất đặt vào

anten P A và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten I Ae

Ae

A A I

P

R  (2.12) Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng

2.5.2 Hệ số định hướng và độ tăng ích

 Hệ số định hướng

Bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ thu được nếu công suất đưa

vào anten được bức xạ đúng hướng (Isotropic) Độ định hướng của anten được định nghĩa như là tỉ số của của cường độ bức xạ ở một hướng cho trước trên cường độ bức xạ trung bình ở mọi hướng Trong trường hợp không đề cập đến hướng cụ thể thì được hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực đại

rad P

U U

U U

U D

0

max 0 max

4





Trong đó: D: độ định hướng (directivity)

D 0: độ định hướng cực đại (maximum directivity)

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

U max: cường độ bức xạ cực đại (maximum radiation intensity) [W/Sr]

U 0: cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr]

P rad: tổng công suất bức xạ [W]

 Độ tăng ích (Độ lợi)

Độ lợi của anten G là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho

trước và cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đúng hướng (isotropic)

in P

Nếu anten không tổn hao, P in = P rad thì G(,) D(,)

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa dây truyền sóng và anten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên anten (do điện môi, sai phân cực), công

suất bức xạ (P rad ) của anten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (P in):

in

rad P

P  Vì vậy trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng

Để biểu diễn mối quan hệ giữa P in và P rad người ta dùng khái niệm hiệu suất

bức xạ Kí hiệu e

in

rad P P

e  , e ≤ 1 (2.16)

=> G(,) eD(,) (2.17) Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi là dBi (độ lợi của anten định hướng) hay dBd (độ lợi của anten half wave dipole) Để chuyển đổi từ dBd sang dBi ta chỉ cần cộng thêm 2.2 vào dBd để được dBi

2.5.3 Giản đồ bức xạ (Radiation pattern)

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian hai chiều (2D) hay ba chiều (3D) Sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong Hình 2.4

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của

anten thực Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lạ“

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong Hình 2.5 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với     

2 , 





f và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với g  , const

Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1]

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector

từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ được thể hiện trong Hình 2.6 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với  0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π/2 ) là mặt phẳng H

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1]

 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra Búp sóng dọc được

đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao

Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10

dB so với giá trị cực đại Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên

và thùy sau Hình 2.7a minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy Hình 2.7.a thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của Hình 2.7.b)

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten [1]

(b) Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó [1]

Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính): Được định nghĩa là thùy chứa

hướng bức xạ cực đại Trong Hình 2.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ = 0 Có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính

Thùy phụ: là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính Thông thường, thùy bên

là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính

Thùy sau là thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180o so với thùy chính Thùy phụ thường định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với thùy chính

Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng không mong muốn, và chúng phải được tối thiểu hóa Thùy bên thường là thùy lớn nhất trong các thùy phụ Cấp của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất theo hướng của thùy đó với mật độ công suất của thùy chính Tỷ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên

2.5.4 Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ

 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin qua môi trường vô tuyến hay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp với sóng điện từ là vector Poynting tức thời được định nghĩa như sau:

(2.18) Trong đó: : 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 đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó Phương trình là:

Trong đó, : tổng công suất tức thời (W)

: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

: vi phân diện tích của bề mặt (m2)

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu

kỳ Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng ejωt , ta định nghĩa các trường phức E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời và bởi công thức:

1 e E

Thành phần đầu tiên của (2.22) không biến đổi theo thời gian, và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước Vector Poynting trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viết lại là:

Thành phần

2

1 xuất hiện trong (2.22) và (2.23) bởi vì các trường E và H tính theo biên độ

Dựa trên định nghĩa (2.23), công suất trung bình bức xạ bởi anten (công suất bức xạ) có thể được định nghĩa là:

(2.19)

(2.23)

(2.24)

Cường độ bức xạ

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “năng lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc” Cường độ bức xạ là tham số trường xa, và được tính bằng cách đơn giản là nhân mật độ bức xạ với bình phương của khoảng cách

là cường độ điện trường trong trường xa của anten

là các thành phần điện trường trong trường xa của anten

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ Do đó:

Trong đó: là một vi phân góc đặc

2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức

(2.26)

xạ đẳng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP (Equivalent Isotropically Radiated

Power)

T

T G P

Trong đó P T là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và G T là hệ số

tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích G T của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy

phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten Công suất bức xạ đẳng hướng

là công suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem G T

= 1 Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn

2.5.6 Hiệu suất của anten (e t)

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng nên ta cần quan tâm

đến hiệu suất của anten để có thể đánh giá chính xác hiệu quả cũng như tổn hao về

công suất mà anten mang lại Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa công suất bức

xạ P rad và công suất máy phát đưa vào anten P in

Trong đó: e p: hiệu suất phân cực anten

e: hiệu suất bức xạ của anten

e r: hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa

anten và đường dây truyền sóng) e r = 1-|Γ|2 (2.30) Với Γ là hệ số phản xạ ở ngõ ra:

0

0

Z Z

Z Z in

Z in: trở kháng vào của anten

Z 0: trở kháng đặc tính của dây truyền sóng

Nếu không có tổn hao trong phân cực thì hiệu suất tổng được xác định bởi:

e t = e.(1-| Γ |2) (2.32)

2.5.7 Tính phân cực của anten

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten Chú ý: khi không đề cập tới hướng nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số độ lợi cực đại”

Sự phân cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời, và hướng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng Một đường vạch theo bởi đầu mút của vector điện trường là hàm của thời gian được thể hiện trong Hình 2.8

Hình 2.8: Sự quay của vector điện trường

và cả hai đều rơi vào một loại là phân cực tuyến tính Trường hợp đặc biệt của phân cực tuyến tính là đặc tính phân cực kép trong đó anten hoạt động ở phân cực dọc cũng tốt như ở phân cực ngang [3-6]

Một cách tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra là một hình ellip, và trường được gọi là phân cực ellip Phân cực tuyến tính và tròn là trường hợp đặc

biệt của phân cực ellip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ

CW (clockwise) gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ CCW (counterclockwise) gọi là phân cực trái

Hình 2.9: Các loại phân cực [2]

2.5.8 Dải tần của anten

Băng thông của anten BW (Bandwidth) được định nghĩa như sau: “khoảng

tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định” Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số về hai bên của tần số trung tâm (thường

là tần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản

đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Thông thường dải thông của anten được tính bằng Hz, xác định khi tỉ số sóng đứng nhỏ hơn 2:1 hoặc Return Loss nhỏ -10 dB Đối với các hệ thống cần độ ổn định cao thì dải thông được xác định khi tỉ số sóng đứng nhỏ hơn 1,5:1 Các loại anten khác nhau thì có giới hạn dải thông khác nhau

Đối với anten băng rộng, dải thông của anten được tính theo công thức:

% 100 0

min max

f

f f

Trong đó, f max , f min và f 0 lần lượt là tần số cao nhất, tần số thấp nhất và tần số trung tâm của băng thông

Thông thường

2 min max 0

f f

f   hoặc f 0 fmax fmin

Dải tần của anten được chia làm 4 nhóm:

a Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

Hình 2.10: Độ rộng băng thông

2.6 Các hệ thống anten

Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh

Trạm tiếp 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)