Cải tiến băng thông anten khe dual band trong ứng dụng wlan

- Nêu ra một số tham số cơ bản để đánh giá chất lượng của anten như: : giản đồ bức xạ, công suất bức xạ, hệ số định hướng, hệ số tăng ích, phân cực, trở kháng vào Chương 2: Giới thiệu về

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm 2011

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Trang 3

Tp HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN VĨNH THÀNH Giới tính : Nam / Nữ 

Ngày, tháng, năm sinh : 17/12/1983 Nơi sinh : Cần Thơ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009

1- TÊN ĐỀ TÀI:

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

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Nghiên cứu cải tiến anten khe vi dải trong ứng dụng WLAN

- Mô phỏng bằng phần mềm CST Microwave Studio 2009

- Thi công anten thực tế

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày tháng năm 2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ngày tháng năm 2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phan Hồng Phương

đã truyền đạt các kiến thức quý báu và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình hoàn tất luận văn này Đồng thời, tôi cũng gửi lời cảm ơn các bạn đồng khóa cũng như các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian qua Mặc dù có nhiều cố gắng để hoàn thành luận văn, nhưng chắc chắn không thể tránh sai sót, tôi rất mong tiếp tục nhận được sự hướng dẫn

và chỉ bảo của quý thầy cô

Nguyễn Vĩnh Thành

Trang 5

theo đó các thiết bị di động ngoài việc tích hợp thêm nhiều tính năng còn phải thoả mãn nhu cầu ngày càng nhỏ gọn Anten gắn trên thiết bị đầu cuối cũng phải thu nhỏ kích thước

Gần đây, nhiều anten phẳng đã được nghiên cứu và thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về băng thông, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication,

890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz) và thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (IEEE 802.11b/g, 2.4 – 2.484 GHz) và 5.2/5.8 GHz (IEEE 802.11a, 5.15 – 5.35/ 5.725-5.825 GHz )

WLAN là một mạng truyền dữ liệu mở rộng từ hệ thống mạng LAN có dây Trước tiên nó được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nơi mà các nhân viên luôn

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

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một anten khe (slot antenna), có khả năng hoạt động tại dải tần WLAN Anten được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi εr = 4.6, độ dày là 1.6 mm

Cấu trúc luận văn này chia làm 3 phần chính:

 Phần I - Lý thuyết cơ bản:

Trang 6

- Giới thiệu và định nghĩa anten

- Nêu ra một số tham số cơ bản để đánh giá chất lượng của anten như: : giản đồ bức xạ, công suất bức xạ, hệ số định hướng, hệ số tăng ích, phân cực, trở kháng vào

Chương 2: Giới thiệu về Anten Patch vi dải (MSA)

Chương 3: Giới thiệu về Anten khe vi dải (MSAs): các ưu điểm, nhược điểm

so với anten Patch vi dải

 Phần II - Cấu trúc anten, mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Chương 4: Cấu trúc anten

- Mô tả cấu trúc anten dựa trên một số lý thuyết và công thức

Chương 5: Mô phỏng và kết quả thực nghiệm

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

 Phần III – Kết luận và hướng phát triển

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của luận văn

Trang 7

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

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH BIỂU BẢNG vii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

PHẦN I LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2

1.1 Lý thuyết chung về anten 2

1.2 Hệ phương trình Maxwell 3

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 5

1.4 Các thông số cơ bản của anten 6

1.4.1 Trở kháng vào của anten 8

1.4.2 Hiệu suất của anten 8

1.4.3 Giản đồ bức xạ và góc bức xạ của anten 8

1.4.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích 13

1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 14

1.4.6 Tính phân cực của anten 14

1.4.7 Dải tần của anten 14

1.4.8 Các hệ thống anten 14

CHƯƠNG 2 ANTEN VI DẢI 19

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động anten vi dải 19

2.1.1 Cấu tạo anten vi dải 19

Trang 8

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

2.1.2 Nguyên lý hoạt động anten vi dải 24

2.2 Tính phân cực anten vi dải 26

2.3 Băng thông anten vi dải 28

2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải 28

2.5 Nhược điểm anten vi dải và hướng phát triển 29

CHƯƠNG 3 ANTEN KHE VI DẢI 30

3.1 Cấu tạo và phương pháp phân tích anten khe vi dải 30

3.1.1 Cấu tạo 30

3.1.2 Phương pháp phân tích 34

3.1.2.1 Phân tích sấp xỉ 35

3.1.2.2 Sự phân cực của trường từ 36

3.1.2.3 Bước sóng khe dẫn 36

3.1.3 Công thức dạng mẫu 37

3.1.4 Đồ thị bức xạ anten khe 40

3.1.5 Anten khe vòng 41

3.1.6 So sánh anten khe và anten patch vi dải 42

PHẦN II CẤU TRÚC ANTEN, MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 44

CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC ANTEN 45

4.1 Giới thiệu 45

4.2 Cấu trúc khe bức xạ 46

4.3 Đường truyền cấp nguồn vi dải 49

4.3.1 Thiết kế dựa vào lý thuyết đường truyền vi dải 49

Trang 9

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

4.3.2 Trở kháng đặc trưng 50

4.3.3 Bước sóng trên đường truyền vi dải λ 52

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 55

5.1 Mô phỏng 55

5.2 Kết quả mô phỏng 56

5.3 Thi công và đo đạc 64

PHẦN III KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN 69

6.1 Kết luận 69

6.2 Hướng phát triển đề tài 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Trang 10

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

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Chương 1:

Hình 0.1: Anten như một thiết bị truyền sóng 2

Hình 1.2: Mạch tương đương cho hệ thống anten 6

Hình 1.3: Các vùng trường của một anten 9

Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tính đặc tính bức xạ của anten 10

Hình 1.5: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực 11

Hình 1.6: Đồ thị phương hướng trong không gian 3 chiều 12

Hình 1.7: Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc 12

Chương 2: Hình 2.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn 19

Hình 2.2: Các hình dạng của anten vi dải dạng tấm 20

Hình 2.3: Cấu trúc anten dipole vi dải 21

Hình 2.4: Các hình dạng của anten vi dải sóng chạy 21

Hình 2.5: Tiếp điện bằng cáp đồng trục 22

Hình 2.6: Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục 23

Hình 2.7: Tiếp điện bằng đường vi dải 23

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương khi tiếp bằng đường vi dải 23

Hình 2.9: Tiếp điện bằng ghép khe 24

Hình 2.10: Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe 24

Hình 2.11: Trường bức xạ E và H của anten vi dải 25

Hình 2.12: Tiếp điện bằng 1 đường vi dải 26

Hình 2.13: Đồ thì bức xạ 3 chiều 26

Hình 2.14: Tiếp điện bằng 2 đường vi dải vào hai cạnh của anten 27

Hình 2.15: Đồ thị bức xạ 3 chiều 28

Chương 3 Hình 3.1: Khe vi dải cơ bản 30

Trang 11

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

Hình 3.2: Trường điện và trường từ trên khe vi dải 31

Hình 3.3: Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải 31

Hình 3.4: Anten khe vi dải được đặt một mặt phản xạ để tránh bức xạ lưỡng hướng 31

Hình 3.5: Cấp nguồn đường vi dải ngắn mạch 33

Hình 3.7: Cấp nguồn lệch khe và xiên khe 33

Hình 3.8: Ba phương pháp cấp nguồn đối với anten khe vòng (CPW, đường vi dải và khe dẫn sóng) 34

Hình 3.9: Trường điện Eφ của slot 35

Hình 3.10: Dạng đồ thị bức xạ của anten khe vi dải 41

Hình 3.11: Dạng anten khe cấp nguồn bằng đường vi dải với mặt phẳng phản xạ để đạt được bức xạ đơn hướng 41

Hình 3.12: anten khe vòng với cấp nguồn bằng đường vi dải 42

Chương 4 Hình 4.1: Mặt trên (mặt ground) của anten gồm khe tròn và hai khe dạng chữ T 46

Hình 4.2: Mặt dưới (đường cấp nguồn vi dải) anten khe 47

Hình 4.3: Thay đổi giá trị lm để phối hợp trở kháng cho anten 47

Hình 4.4: Hình dạng đường truyền vi dải và mô hình dẫn sóng phẳng tương ứng 50

Chương 5 Hình 5.1: Hệ số phản xạ S11 của anten mô phỏng 56

Hình 5.2: Hệ số phản xạ S11 tại tần số cộng hưởng 2.4 GHz 56

Hình 5.3: Hệ số phản xạ S11 tại dải tần 5 GHz 57

Hình 5.4: Đồ thị bức xạ dạng 3D ở tần số 2.455 Ghz 58

Hình 5.7: Giản đồ bức xạ ở 2.455 Ghz 61

Hình 5.10: Giản đồ độ lợi IEEE ở 2.455 GHz 63

Trang 12

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

Hình 5.13: Anten sau khi thi công 65

Hình 5.14: Đồ thị S11 của anten trong thực nghiệm tại tần số 2.4GHz 66

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

Trang 13

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

DANH SÁCH BIỂU BẢNG

Bảng 1.1: Quy ước về các dải tần số 18 Bảng 2.1: So sánh ưu và khuyết điểm anten patch và khe vi dải 43 Bảng 5.1: Kích thước chi tiết anten 55

Trang 14

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

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

WLAN: Wireless Local Area Network

HPBW: Half Power Beamwidth

EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power

FDTD: Finite-Difference Time-Domain

CPW: Coplanar Waveguide

CST: Computer Simulation Technology

Trang 15

HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 1 CBHD: TS Phan Hồng Phương

PHẦN I

LÝ THUYẾT CƠ SỞ

Trang 16

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1.1 Lý thuyết chung về anten

Antenna là một bộ chuyển đổi dòng điện di chuyển ở tần số cao thành sóng điện

từ, hoặc ngược lại chuyển sóng điện từ thành dòng điện xoay chiều Antenna có thể được dùng để bức xạ năng lượng ra không gian, hoặc nhận năng lượng từ không gian Antenna và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò thiết bị ghép giữa các mạch điện tử và không khí Các antenna tiếp xúc trực tiếp với không gian bên ngoài còn feeder (bộ phận cấp nguồn) là bộ phận giao tiếp giữa antenna với mạch điện tử Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian như thể hiện trong hình 1.1:

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

Trang 17

div H 0 (1.2d)

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

H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)

 p 1 i (1.3) (hệ số điện thẩm phức của môi trường)

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

Trang 18

µ : hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

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

và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên

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

e

i H

rot    (1.4a)

m J H i

E

rot    (1.4b)



 m E

div  (1.4c)



 e H

div  (1.4d)

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

Trang 19

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

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường 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 ví dụ ta xét 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 gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo

ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

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

Trang 20

1.4 Các thông số cơ bản của anten

Trong thực tế, một anten bất kỳ đều có các thông số về điện cơ bản sau đây:

- Dải tần của anten

1.4 1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào 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

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

Trang 21

A A A

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

PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

Ae

A A I

P

R  (1.6)

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

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 tồi tệ nhất, nó có thể bắn ra tia lửa điện Tuy nhiên, tình huống này sẽ không xảy ra nếu công suất sử

Trang 22

dụng thấp khi triển khai mạng WLAN

1.4.2 Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten  A chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào PA

A

bx A

P A I Ae2 R A I Ae2 R bx R th (1.9)

Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành:

th bx bx

th bx

bx A

R R

R P

1.4.3 Giản đồ bức xạ và góc bức xạ của anten

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa “là một hàm toán học hay sự thể hiện

đồ bằng đồ thị các đặc tính bức xạ của anten và là hàm của các tọa độ không gian” Khi xét giản đồ bức xạ bao gồm ba trường hợp là trường gần tác động trở lại, trường bức xạ

Trang 23

gần và trường xa như hình 1.3

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

 Trường gần bức xạ trở lại: là phần không gian gần trường gần trực tiếp bao quanh anten Biên của trường này được tính tại khoảng cách

 Trường gần bức xạ: là phần không gian nằm giữa trường gần tác động trở lại

và trường xa Biên trong của trường này được tính R0.62 D3 và biên ngoài  2 

2D

R

 Trường xa: tồn tại ở khoảng cách R2D2 và biên ngoài ở vô cực Trong vùng trường xa, dạng đồ thị bức xạ hầu như không thay đổi khi dịch chuyển điểm quan sát ra xa dần

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

Trang 24

là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian hai chiều hoặc ba chiều, 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 thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 1.4

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

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn đơn giản bằng biểu đồ 2D Thông thường chỉ quan tâm giản đồ là hàm của một biến φ hoặc θ với vài giá trị đặc biệt của biến còn lại

là đủ để đưa hầu hết các thông tin cần thiết về đặc tính bức xạ của anten

Giản đồ hướng tính:

Hướng tính của anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác định tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách đồng dạng Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten

Trang 25

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

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

Trang 26

Hình 1.6: Đồ thị phương hướng trong không gian 3 chiều [3]

Hình 1.7 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [3]

Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc

Trang 27

) và mặt phẳng đứng góc ()

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

sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau Để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc bức xạ Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất (HPBW)

1.4.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích

Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người

ta đưa vào thông số hệ số định hướng và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi) Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc 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

Hệ số định hướng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (,) nào đó

) 0 (

) , ( )

0 (

) , ( ) ,

2 1 1 1

1

E

E P

P D

bx



   (1.11) Trong đó:

D(1,1) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (1,1);

Trang 28

Pbx (1,1) và Pbx (0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với

hướng (1,1) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét

E(1,1), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(1,1) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten

vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(1,1)

Hệ số tăng ích của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa

vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao

cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (,)

G(,) A D(,) (1.12)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính

bức xạ và hiệu suất của anten Từ (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số

định hướng Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx

theo công thức sau:

P bx P A.G A

Đơn vị dùng để biểu diễn hệ số tăng ích có thể là dBi (độ lợi tính theo dB của

anten đẳng hướng) hay dBd (độ lợi dB của anten half-wave dipole) Để chuyển đổi giữa

dBd và dBi thì ta chỉ cần cộng thêm 2.2 vào độ lợi dBd để có được độ lợi dBi Việc ghi

nhớ quy ước này là quan trọng bởi 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

1.4.5 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 xạ

Trang 29

đẳng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP

T

T G P

1.4.6 Tính phân cực của anten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector

H

E 

, có biên độ và pha biến đổi Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá

và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực tuyến tình Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực tuyến tính và tròn chỉ là trường hợp riêng

Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng

Trang 30

Hầu hết các anten trên thị trường WLAN đều sử dụng phân cực tuyến tính, có thể theo chiều ngang (phân cực ngang) hoặc theo chiều dọc (phân cực dọc) Nếu theo chiều ngang thì vector trường điện sẽ nằm trên một mặt phẳng thẳng đứng, nếu theo chiều dọc thì vector trường điện nằm trên mặt phẳng nằm ngang Phân cực dọc là phổ biến hơn mặc dù đôi khi phân cực ngang lại hoạt động tốt hơn Mặc dù sẽ không phù hợp nếu sử dụng anten phân cực tròn cho kết nối trong nhà (indoor), nhưng nếu sử dụng wireless bridge thì có thể dùng anten phân cực tròn Cũng giống như anten phân cực tuyến tính, anten phân cực vòng cũng có 2 trường hợp: Phân cực tay trái và phân cực tay phải Nếu như vector trường điện quay theo chiều kim đồng hồ khi nó tiến gần đến bạn thì được gọi là phân cực tay trái Tương tự, nếu vector quay ngược kim đồng

hồ thì gọi là phân cực tay phải Anten phân cực vòng là bất biến (hoặc là phân cực trái, hoặc là phân cực phải) khi nó quay, trong khi anten phân cực tuyến tính có thể chuyển

từ phân cực ngang thành phân cực dọc khi nó quay

1.4.7 Dải tần của anten

Dải tần 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 dải tần được phân làm 4 nhóm

- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

- Anten dải tần tương đối rộng

Trang 31

- Anten dải tần rộng

1 5 4

min max 

Trong đó: Δf = fmax – fmin

1.4.8 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)

 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học

Trang 32

3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị

30-300 KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng

300-3000 KHz Medium Freq (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông

tin duyên hải, tìm kiếm

3-30 MHz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng

ngắn, hàng hải, hàng không

30-300 MHz Very High Freq (VHF) TV, phát thanh FM, điều khiển giao

thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng

300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar

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

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

Bảng 1.1: Quy ước về các dải tần số

Trang 33

CHƯƠNG 2

ANTEN VI DẢI

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc vi dải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởi Deschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vào thực tế Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell và Munson Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, và đặc biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten vi dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh…

2.1.1 Cấu tạo

Anten vi dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe Mỗi phần tử anten vi dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương

tự như một mảng của mạch in, vì thế anten vi dải còn có tên là là anten mạch in

Hình 2.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn [3]

Trang 34

Các thông số cấu trúc cơ bản của anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi , và thông số ít ảnh hưởng khác độ dày lớp dẫn điện

t

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

cơ bản anten vi dải:

 Anten vi dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn điện

ở trên một phía của tấm điện môi Tấm dẫn điện khá đa dạng, có thể là hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hay hình tam giác, hình vòng nhẫn

Hình 2.2: Các hình dạng của anten vi dải dạng tấm [4]

 Anten dipole vi dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điện giống như anten vi dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole vi dải gồm có các tấm đối xứng

ở cả 2 phía của tấm điện môi

Trang 35

Hình 2.3: Cấu trúc anten dipole vi dải [4]

 Anten khe vi dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất Khe hẹp này có thể bất cứ hình dạng gì tuy nhiên thông thường là dạng hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên Chi tiết sẽ được giới thiệu ở chương 3

 Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna), gồm các đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tấm điện môi

Hình 2.4: Các hình dạng của anten vi dải sóng chạy [4]

Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten vi dải: dùng cáp đồng trục, đường vi dải

Trang 36

và ghép khe

 Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện

Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm dẫn điện

Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng không Có thể tính

toạ độ tiếp điểm theo công thức sau [4]:

L X

re f



 (2.2)

Với

2 / 1

) 12 1 ( 2

1 2

r re



 (2.3)

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

Trang 37

Hình 2.6: Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục [4]

 Tiếp điện bằng đường vi dải Phương pháp này dễ thực hiện hơn cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường vi dải có độ dài g/4 để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50  tới trở kháng vào của anten

Hình 2.7: Tiếp điện bằng đường vi dải [4]

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương khi tiếp bằng đường vi dải [4]

Trang 38

 Tiếp điện bằng ghép khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng Ta ghép giữa đường vi dải 50  với trở kháng vào của anten bằng khoảng cách s Khoảng cách này sẽ như là thành phần điện dung C

Hình 2.9: Tiếp điện bằng ghép khe [4]

Hình 2.10: Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe [4]

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Sóng điện từ fring off từ tấm phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản xạ trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên Trường bức xạ xảy ra chủ yếu

do trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất

Trang 39

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

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

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

 Sóng không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại Những sóng này có thể bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng cách 1/r Trong cấu trúc vi dải thì sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa trên vì màn chắn kim loại đã ngăn không cho bức

xạ xuống không gian phía dưới

 Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn dẫn điện và phiến kim loại

 Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn kim loại theo góc nhỏ hơn góc tới hạn Sau khi phản xạ từ màn chắn, một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi – không khí, khiến cho một phần năng lượng rò ra khỏi lớp điện môi

 Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt và bên trong lớp điện môi Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn điện môi – không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong sợi cáp quang

Trang 40

2.2 Tính phân cực của anten vi dải

Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định,

nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo

ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp

Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten vi dải là trường phân cực thẳng Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng

Hình 2.12: Tiếp điện bằng 1 đường vi dải [3]

Hình 2.13: Đồ thì bức xạ 3 chiều [3]

Để tạo được trường phân cực tròn ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh của anten hoặc từ một cổng ta chia ra thành 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là /4

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	2,24 MB