Luận văn Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz

 Anten phân cực kép đã được thiết kế trên tấm mạch in FR-4. Anten được làm bằng vật liệu mạch in FR-4 cho tấm bức xạ, và nhôm cho mặt phản xạ. Với việc xoay điểm dẫn nạp 45o nhằm tạo phân cực kép cho anten và cắt khe trên vòng để cải thiện băng thông và độ lệch trường Eθ, Eϕ. Kích thước anten: đường kính mặt phản xạ nhôm 140 mm, đường kính chất nền là 128 mm, khoảng cách giữa tấm bức và mặt phản xạ 11.4 mm. Đường kính vòng lớn của một anten là 38 mm, độ dày vòng là 5.5 mm. Kết quả mô phỏng của anten phù hợp khá tốt với kết quả đo đạc thực tế.  Với đặc tính phân cực kép cho phép anten thu phát được trên nhiều phân cực hơn, băng thông được cải thiện để sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng hơn. Kết hợp với việc thiết kế anten trên mạch in nên anten có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ chế tạo, giá thành thấp và độ bền cao Từ đó, sản phẩm anten cuối cùng thu được có cả ưu điểm về truyền nhận tín hiệu và cấu trúc vật lý

pdf101 trang | Chia sẻ: builinh123 | Ngày: 03/08/2018 | Lượt xem: 364 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
trong sợi cáp quang. 3.6 Tính phân cực của anten vi dải Phân cực của anten theo hướng đã cho được xác định như phân cực sóng bức xạ bởi anten. Chú ý khi hướng không được nói rõ thì phân cực được xem xét là phân cực theo hướng có độ lợi cực đại. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực tròn hoặc phân cực thẳng, trường hợp đặc biệt là phân cực kép, bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp. Sự phân cực của anten thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện. Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten mạch dải là trường phân cực thẳng. Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng. Để đạt đặc tính phân cực kép ta xoay điểm dẫn nạp anten ở một vị trí thích hợp. Cụ thể là xoay điểm dẫn nạp một góc 45o như Hình 3.8 để đạt đặc tính bức xạ phân cực kép trong mặt cắt x - z dọc theo đường kính của chất nền anten và mặt cắt y - z vuông góc với x – z [3], [7]. Hình 3.8: Anten vòng xoay dẫn nạp một góc 45o Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 33 Ưu điểm của anten phân cực kép là để phát dữ liệu trên một phân cực và nhận dữ liệu trên một phân cực khác một cách đồng thời. Anten phân cực kép được sử dụng khi không gian có hạn, phù hợp hơn so với hai anten tách rời [3-6]. 3.7 Dải tần anten vi dải Độ rộng băng thông của anten vi dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Một trong những nhược điểm của anten vi dải là có độ rộng băng tần hẹp. Do đó để tăng độ rộng băng tần cho anten vòng có thể sử dụng nhiều cách như sau [8]:  Sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp: Độ rộng băng tần của anten vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng tần với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thức thực nghiệm sau:        32/1 4 2 h ff (3.1) Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, h là độ dày điện môi. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi h > 0.10 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten.  Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp: Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác nhau như: tiếp điện bằng “đầu dò” (probe feeding), tiếp điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch với một đường truyền vi dải (proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện vi dải (aperture coupling to a microstrip feed line). Trong đó phương pháp ghép khe (aperture coupling) được sử dụng cho các anten băng rộng trên các chất nền dày như Hình 3.9. Điều này là do thực tế rằng kỹ thuật tiếp điện này cho phép một lượng lớn tham số có thể điều chỉnh như độ dài khe, độ rộng khe và hình dạng khe, . Phương pháp ghép khe khi được điều chỉnh một cách kỹ lưỡng có thể làm tăng băng thông một cách đáng. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 34 Hình 3.9 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [8]  Sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng: Anten vi dải với 2 patch được xếp chồng điển hình được thể hiện trong Hình 3.10. Patch bên dưới có thể được tiếp điện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải. Patch bên trên được ghép “sát” với patch bên dưới. Kích thước của patch phía trên hơi khác kích thước của patch bên dưới để thu được tần số cộng hưởng hơi khác một chút. Mỗi thành phần cộng hưởng này được ghép “sát” với thành phần cộng hưởng khác. Việc ghép “sát” được điều khiển để tăng băng thông. Hình 3.10: Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [8]  Sử dụng các thành phần ký sinh đồng phẳng: các kiểu ghép này tạo các tần số cộng hưởng khác nhau nhưng gần nhau để tăng băng thông. Trong cấu Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 35 hình này chỉ tấm patch trung tâm là được dẫn nạp còn những tấm patch khác thì ghép khe hoặc nối trực tiếp với tấm patch điều khiển. Có một số dạng ghép ký sinh đặc trưng như Hình 3.11 a) hai patch được ghép khe với patch điều khiển dọc theo các cạnh bức xạ của patch điều khiển. Hình 3.11 b) Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 2 patch dọc theo các cạnh bức xạ, trong trường hợp này các patch phía ngoài là các patch kí sinh vào patch được tiếp điện, nhưng các patch kí sinh được ghép trực tiếp tới patch được tiếp điện. Hình 3.11 c) bao gồm một đĩa vi dải được ghép khe với một vành khuyên ngắn mạch trên cùng bề mặt. Anten này cũng có thể được xem như một hốc hình trụ (cylindrical cavity) ghép với một khe vành khuyên (annular slot). a) b) c) Hình 3.11: Các dạng ghép kí sinh [8]  Dùng phương pháp cắt khe: Patch và khe U được thiết kế để cho tần số cộng hưởng gần nhau. Tần số cộng hưởng và hệ số Q tại điểm cộng hưởng có thể được điều khiển độc lập bằng cách điều chỉnh chiều dài và rộng của patch và khe U. Xem Hình 3.12 với tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U để tăng băng thông. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 36 Hình 3.12: Tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U [8]  Mắc tải điện trở Theo Pozar, băng thông trở kháng của anten vi dải có thể tăng lên bằng cách hạn chế các tham số mất mát, nhưng bù lại hiệu suất bức xạ giảm. Mất mát gây ra do vật liệu điện môi, lớp đồng dẫn điện, do chính tải điện trở mắc vào. Hình 3.13 thể hiện một anten vi dải được gắn thêm điện trở 1Ω gần cạnh của patch. Hình 3.13. Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L [8] Có rất nhiều cách để tăng băng thông cho anten nhưng mỗi cách đều có những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và hình dạng của anten. Trong đề tài này ta sẽ dùng phương pháp cắt khe để tăng băng thông. 3.8 Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải Có nhiều phương pháp để phân tích anten vi dải. Những phương pháp phổ biến nhất là mô hình đường truyền (transmission line model), mô hình hốc cộng hưởng (cavity model), và mô hình sóng đầy đủ (full wave model). Transmission line model là phương pháp đơn giản nhất khi nắm được mô hình vật lý nhưng kém Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 37 chính xác. Phương pháp cavity model thì chính xác hơn nhưng phức tạp. Còn kỹ thuật full wave model thì cực kỳ chính xác và phân tích cặn kẽ nhất nhưng lại là phương pháp phức tạp nhất. Ngoài ra, phương pháp FDTD (Finite Diference Time Domain) cũng được dùng để phân tích anten, phương pháp này đơn giản nhưng có thể tính toán được các mô hình phức tạp. 3.8.1 Mô hình đường truyền Mô hình này được sử dụng cho các trường hợp tấm bức xạ có hình dạng đơn giản. Mỗi anten vi dải hình chữ nhật có thể mô tả tương đương 2 khe bức xạ có chiều rộng W và chiều cao h, phân chia bởi đường truyền chiều dài L (Hình 3.14a). Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = d/2 do vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải nửa sóng. (a) (b) Hình 3.14: (a) Đường vi dải [1], (b) Các đường điện trường [1] Theo Hình 3.14b, ta thấy hầu hết trường điện nằm bên trong đế và một phần nhỏ trong không khí gần đáy. Theo kết quả thì kiểu truyền này không thể hỗ trợ thuần túy kiểu truyền sóng điện từ ngang (sóng TEM – Transverse Electric Magnetic). Do trường điện từ sinh ra không nằm hoàn toàn ở biên của tấm bức xạ mà một phần bị bức xạ ra không khí và do vận tốc truyền sóng là khác nhau giữa không khí và lớp nền. Vì thế hằng số điện môi hiệu dụng (εeff) thu được ở viền và đường truyền sóng, có giá trị εeff phải thấp hơn r . Công thức 3.2 thể hiện mối liên hệ của hai đại lượng trên. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 38 W d rr eff 12 12 1 2 1        (3.2) Trong đó: eff : hằng số điện môi hiệu dụng. r : hằng số điện môi của chất nền. h: bề dày của chất nền. W: độ rộng của tấm tấm bức xạ. Trong Hình 3.15a, tấm bức xạ anten được đại diện cho bởi hai khe, tách ra bởi một đường truyền chiều dài L. Dọc theo chiều rộng của tấm tấm bức xạ điện áp là cực đại và dòng điện là nhỏ nhất ở những đầu mút. Những trường tại những cạnh có thể được giải quyết trong những thành phần tiếp tuyến và bình thường đối với mặt phẳng nằm ngang. (a) (b) Hình 3.15: Trường phân bố [1] Như Hình 3.15b, ta thấy những phần tử bình thường của trường điện ở 2 cạnh dọc theo chiều rộng là ngược hướng và lệch pha từ tấm bức xạ. Từ những cạnh dọc theo chiều rộng có thể được mô tả như hai khe bức xạ, cạnh một nửa chiều dài bước sóng tách ra và bị kích thích pha và bức xạ trong không gian trên ground plane. Những trường bao bọc dọc theo chiều dài có thể được mô hình hóa như Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 39 những khe bức xạ và đặc tính điện trong tấm tấm bức xạ của anten vi dải trông lớn hơn những kích thước vật lý. 3.8.2 Mô hình hốc cộng hưởng Mặc dù mô hình Transmission Line Model dễ dàng sử dụng nhưng vẫn có một số bất lợi tồn tại. Đặc biệt, nó hữu ích cho những tấm bức xạ khi thiết kế hình chữ nhật và bỏ qua những trường biến thiên dọc theo các cạnh bức xạ. Những sự bất lợi sẽ được khắc phục bằng cách dùng Cavity Model. Mô hình này sử dụng cho các trường hợp tấm bức xạ có hình dạng phức tạp. Trong mô hình này, phần bên trong lớp nền điện môi được mô hình như là những hốc giới hạn bằng bức tường điện phía trên và phía dưới với độ dày của lớp nền rất nhỏ (h<< ). Từ lớp nền điện môi mỏng điện trường bên trong không biến đổi nhiều theo hướng z. Điện trường chỉ hướng theo trục z và từ trường thì được cấu tạo bởi Hx và Hy ở trong vùng giới hạn bởi miếng tấm bức xạ kim loại và mặt phẳng đất. Hình 3.16: Mật độ điện tích và dòng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [1] Như Hình 3.16, khi tấm bức xạ vi dải được cấp điện thì điện tích được phân bố phía trên và phía dưới bề mặt của tấm bức xạ và ở phía trên của mặt phẳng đất. Sự phân bố này được điều khiển bởi hai cơ chế là cơ chế hấp dẫn (attractive mechanism) và cơ chế đẩy (repulsive mechanism). - Cơ chế hấp dẫn (attractive mechanism): là sự phân bố ngang đối điện ở giữa mặt trên của miếng tấm bức xạ và mặt phẳng đất, nó giúp giữ nguyên vẹn tính tập trung ở phía dưới cùng của tấm bức xạ. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 40 T eff Q 1 rCdT QQQQ 1111    tan 1  d Tr d P W Q   h P W Q C Tr C  Tr r eff W P h      tan - Cơ chế đẩy (Repulsive mechanism): là những điện tích cùng dấu ở phía dưới của tấm bức xạ xô đẩy các điện tích phía trên của tấm bức xạ làm cho các điện tích này chuyển động và tạo ra dòng điện chạy ở bề mặt của tấm bức xạ. Mô hình hốc cộng hưởng giả định rằng tỉ lệ chiều cao của lớp đế điện môi và chiều rộng của tấm bức xạ là rất nhỏ. Dòng điện nhỏ hơn sẽ chạy trên mặt trên của tấm bức xạ và hệ số chiều cao của lớp nền và chiều rộng của tấm bức xạ sẽ giảm. Suy hao hốc cộng hưởng được tính toán bằng eff (effective loss tangent) như sau: (3.3)  TQ là hệ số đặc tính tổng thể của anten được tính toán như sau: (3.4)  dQ miêu tả hệ số đặc tính của chất điện môi và được cho bởi: (3.5) Trong đó: r : tần số góc cộng hưởng. WT : năng lượng tổng cộng khi anten cộng hưởng. Pd : chất điện môi tổn hao. tan : loss tangent của chất điện môi.  CQ miêu tả hệ số đặc tính của chất dẫn và được cho bởi: (3.6) Trong đó: PC: công suất tồn hao chất dẫn.  : độ dày lớp da của dây dẫn. h: chiều cao của chất nền (substrate).  rQ mô tả đặc tính của sự bức xạ cho bởi công thức: (3.7) Trong đó Pr là công suất bức xạ từ miếng tấm bức xạ. Từ (3.3), (3.4), (3.5), (3.6) và (3.7) ta được phương trình (3.8). (3.8) Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 41 Như vậy phương trình (3.8) mô tả suy hao tổng thể (total effective loss tangent) cho tấm bức xạ anten vi dải. 3.8.3 Mô hình sóng đầy đủ Phương pháp này được đưa ra bởi Newman và Tulyathan, là một trong những phương pháp cung cấp sóng đầy đủ phân tích tấm bức xạ anten vi dải. Trong phương pháp này các dòng điện mặt dùng để làm mô hình cho tấm bức xạ anten vi dải và những dòng điện phân cực được dùng để mô hình các trường bên trong tấm điện môi. Những phương trình điện trường đầy đủ được biến đổi bên trong phương trình ma trận, phương trình ma trận này có thể được giải thích bằng nhiều phương pháp đại số để cung cấp kết quả. Tuy nhiên phương pháp phân tích này tính toán rất phức tạp nên ít được sử dụng rộng rãi. 3.8.4 Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp FDTD được công bố đầu tiên bởi Yee năm 1966 là một phương pháp đơn giản và hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell. Tuy mới bắt đầu có những ứng dụng vào các cấu trúc bức xạ đầu những năm 90, ngày nay FDTD đã rất mạnh trong việc mô phỏng anten. Các kỹ thuật hỗ trợ cho FDTD đã phát triển đầy đủ để có thể cấu trúc cho một mô hình anten phức tạp. FDTD đặc biệt có thể mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các tham số môi trường tác động lên anten. FDTD là kỹ thuật mô phỏng rất linh hoạt có thể mô phỏng được nhiều bài toán phức tạp. Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản, còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp. 3.9 Một số loại anten vi dải cơ bản  Anten có tấm bức xạ vi dải (Microtrip Patch Antenna) Anten có tấm bức xạ vi dải MPA (Microstrip Patch Antenna) bao gồm một tấm bức xạ dẫn điện có hình dạng phẳng hay không phẳng trên một mặt của một Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 42 chất nền điện môi, và mặt phẳng đất trên mặt còn lại của chất nền. Các cấu hình cơ bản mà được sử dụng trong thực tế được chỉ ra trong Hình 3.17(a), (b). (a). Các hình dạng anten tấm bức xạ vi dải cơ bản thường được sử dụng trong thực tế [8] (b). Các hình dạng kiểu khác cho các anten tấm bức xạ vi dải [8] Hình 3.17: Các dạng tấm bức xạ anten vi dải  Anten dipole vi dải và anten vòng vi dải (Microstrip Dipole Antenna and Microstrip Loop Antenna): là các loại anten lưỡng cực gồm có các dạng như tấm dẫn điện giống như anten vi dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole vi dải còn có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi. Anten vòng vi dải có nhiều dạng như vòng tròn, vuông, tam giác, Anten vòng tròn phổ biến vì dễ dàng trong việc phân tích và thiết kế. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 43 Hình 3.18: Một vài dipole mạch in và vi dải [8]  Anten khe mạch in ( Microstrip or Printed Dipole Antenna) Các anten khe mạch in (printed slot antenna) có một khe được cắt trên mặt kim loại. Khe này có thể có bất kỳ hình dạng nào. Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của tấm bức xạ vi dải mà được chỉ ra trong Hình 3.17 có thể được thực hiện lại trong dạng của một khe mạch in. Hình 3.19: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện [8]  Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna) Anten sóng chạy vi dải gồm các dãy dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode. Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên anten (Hình 3.20). Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 44 Hình 3.20: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [8] 3.10 Anten vòng Anten vòng là loại anten đơn giản, rẻ tiền và rất linh hoạt. Anten vòng có nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình vuông, hình tam giác, hình elip, hình tròn,... Vì đơn giản trong phân tích và xây dựng nên anten vòng tròn là phổ biến nhất và đã nhận được sự chú ý nhiều nhất. Anten vòng thường phân thành hai loại, vòng nhỏ và vòng lớn. Anten vòng nhỏ là loại có tổng chiều dài (chu vi) thường ít hơn khoảng một phần mười của một bước sóng (C < λ / 10). Tuy nhiên, vòng lớn là loại có chu vi bằng khoảng một bước sóng không gian tự do (C ~ λ). Hầu hết các ứng dụng của anten vòng là trong HF (3-30 MHz), VHF ( 30-300 MHz), và băng UHF ( 300-3000 MHz). Khi được sử dụng như trường thăm dò, chúng ứng dụng ngay cả trong phạm vi tần số vi sóng. Anten vòng với chu vi nhỏ có điện trở bức xạ nhỏ mà thường nhỏ hơn điện trở suy hao của chúng. Do đó nó bức xạ rất ít, và hiếm khi được sử dụng để truyền trong thông tin vô tuyến. Khi chiều dài tổng thể của vòng tăng và chu vi của nó tiến đến một bước sóng không gian tự do (C ~ λ), tối đa của đồ thị dịch chuyển từ mặt phẳng của vòng đến trục của vòng mà vuông góc với mặt phẳng của nó. Điện trở bức xạ của vòng có thể tăng lên và thực hiện so sánh với trở kháng đặc tính của đường dây truyền tải thực tế bằng cách tăng chu vi của nó và một số điều chỉnh. Vòng lớn được sử dụng chủ yếu là các mảng định hướng, như anten helical, các mảng Yagi-Uda, các mảng quad,... Với các ứng dụng này và các ứng dụng tương tự khác, bức xạ tối đa được hướng vào trục của vòng tạo thành một anten đầu cuối. Để đạt được đặc tính đồ thị định hướng, chu vi của vòng nên tiến đến một bước sóng không gian tự do (C ~ λ).  Anten vòng với mật độ dòng không đồng nhất Ngoài phân loại anten theo kích thước (vòng lớn và vòng nhỏ). Anten vòng còn được phân loại theo phân bố dòng điện trên anten là anten vòng có phân bố Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 45 dòng đồng nhất và không đồng nhất. Anten có phân bố dòng đồng nhất là anten có phân bố dòng không đổi, nó có kích thước vòng nhỏ (a < 0.016λ). Khi kích thước của vòng tăng, sự biến thiên dòng dọc theo chu vi của vòng phải được tính vào. Giả định rất thông dụng hiện nay cho phân bố dòng là biến thiên hình sin. Tuy nhiên, nó không phải là một xấp xỉ hợp lý. Một phân bố tốt hơn sẽ được biễu diễn cho dòng bằng một chuỗi Fourier. (3.9) Trong đó ϕ’ được đo từ điểm dẫn nạp của vòng dọc theo chu vi, như trong Hình 3.21 a). Phân tích trường bức xạ của anten vòng với phân bố dòng không đồng nhất là hơi phức tạp, mất thời gian, và khá dài. Để minh họa sự phân bố dòng của anten vòng không đồng nhất, biên độ và pha của nó đã được vẽ trong Hình 3.21 là một hàm của ϕ’ . Chu vi vòng C là ka = C/λ = 0.1, 0.2, 0.3 và 0.4 và kích thước dây đã được chọn để Ω = 2ln (2πa/b) = 10. Rõ ràng là khi ka = 0.1 dòng gần như đồng nhất. Với ka = 0,2 các biến thiên hơi lớn hơn và trở nên lớn hơn khi ka tăng. Trên cơ sở các kết quả, các vòng lớn hơn nhiều so với ka = 0,1 (bán kính lớn hơn 0.016λ) không thể coi là nhỏ. a) Biên độ Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 46 b) Pha Hình 3.21 : Biên độ và pha của anten vòng tròn nhỏ [1] Tối đa của đồ thị của anten vòng dịch chuyển từ mặt phẳng của vòng (θ = 900) đến trục của nó (θ = 00, 1800) khi chu vi của vòng gần 1-λ, giả định rằng dòng thay đổi từ đồng nhất đến không đồng nhất. Căn cứ vào sự phân bố dòng không đồng nhất, các định hướng của vòng dọc θ = 0 có thể tính vào, và nó được vẽ trong Hình 3.22 so với chu vi của vòng trên bước sóng. Định hướng tối đa khoảng 4.5 dB, và nó xảy ra khi chu vi khoảng 1.4λ. Đối với chu vi 1-λ, mà thường là thiết kế tối ưu cho một anten xoắn ốc, định hướng là khoảng 3.4 dB. Rõ ràng rằng các định hướng là độc lập với bán kính của dây, miễn là chu vi bằng hoặc ít hơn khoảng 1.3λ; có sự khác biệt trong định hướng như một hàm của bán kính dây cho chu vi lớn hơn. Hình 3.22: Độ định hướng của anten vòng khi θ = 0, π [1] Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 47 Tính toán trở kháng dựa trên sự biểu diễn chuỗi Fourier của dòng, được thể hiện trong Hình 3.23. Điện trở và điện kháng ngõ vào được vẽ như một hàm của chu vi C (trên bước sóng) với 0 ≤ ka = C/λ ≤ 2,5. Đường kính của dây được chọn để Ω = 2ln(2πa/b) = 8, 9, 10, 11, và 12. Rõ ràng là các cộng hưởng ngược (antiresonance) đầu tiên xảy ra khi chu vi của vòng khoảng λ/2, và vô cùng sắc nét. Cũng cần lưu ý rằng khi độ dày các vòng dây tăng, có sự biến mất nhanh chóng của cộng hưởng. Ta thấy khi Ω < 9 chỉ có một điểm cộng hưởng ngược. Những đường cong (C > λ) cũng tương tự, cả lượng và chất lượng, như là một lưỡng cực tuyến tính. Sự khác biệt chính là vòng nhiều điện dung hơn một lưỡng cực (khoảng 130Ω). a) Điện trở Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 48 b) Điện kháng Hình 3.23: Trở kháng ngõ vào của anten vòng tròn [1] 3.11 Tóm tắt Chương này thảo luận về các thành phần của anten vi dải, kỹ thuật tiếp điện và phương pháp phân tích. Anten vi dải là anten phổ biến nhất hiện nay ứng dụng mạnh trong các hệ thông truyền thông vô tuyến mang tính di động. Anten phân cực kép được trình bày để đạt hiệu suất tốt trong việc truyền nhận dữ liệu. Phân cực kép có thể đạt được trong anten vi dải bằng cách xoay điểm dẫn nạp ở 45o. Bên cạnh đó cũng trình bày các biện pháp cải thiện băng thông để có thể sử dụng nhiều dịch vụ trên một băng tần. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 49 Chương 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC 4.1 Phương pháp thiết kế anten 4.1.1 Cơ sở thiết kế anten Anten được thiết kế dựa trên mô hình của một hệ anten vòng vi dải như Hình 4.1. Hệ thống anten bao gồm ba anten vòng kép hình tròn in trên cùng một lớp của một chất nền anten tròn hoạt động trên các băng 2.4 GHz và 5 GHz. Mỗi anten vòng kép bao gồm một vòng lớn bên ngoài và một vòng nhỏ bên trong, cả hai hoạt động ở chế độ cộng hưởng 1-λ, cùng chia sẻ dẫn nạp và nối đất anten chung. Các anten được thiết lập trong một sắp xếp xoay vòng trên bề mặt với một góc nghiêng bằng 120o để tạo thành một cấu trúc đối xứng đa anten. Kết quả cho thấy rằng cách ly port tốt cũng đạt được cùng với độ lợi cao và đặc tính bức xạ phân cực kép trên các băng 2.4 và 5 GHz [3]. Hình 4.1: Anten vòng tham khảo [3] Dựa vào những kết quả và hình ảnh anten tham khảo ta tiến hành khảo sát một hệ anten vi dải dạng tròn hoạt động ở chế độ 1-λ, trên nền tấm mạch in FR-4, có tấm phản xạ bằng nhôm hoạt động ở dải tần 2.4 GHz. Do đa số các thiết bị của nước ta hiện nay hoạt động ở dải tần WLAN 2.4 GHz nên ta không khảo sát anten ở dải tần 5 GHz. Hơn nữa nhược điểm của anten vi dải là băng thông hẹp nên ta cũng tiến hành thiết kế anten để cải thiện băng thông phục vụ cho nhiều dịch vụ mạng Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 50 hơn. Kích thước của anten và vị trí đặt port được tối ưu để có được sóng phân cực kép, tần số cộng hưởng 2.44 GHz và có băng thông rộng hơn. 4.1.2 Tính toán các thông số kỹ thuật cho anten Các kích thước cùng hằng số điện môi và kỹ thuật tiếp điện của anten là những vấn đề quan trọng trong việc thiết kế anten nói chung và anten vi dải nói riêng. Thay đổi hằng số điện môi, điều chỉnh vị trí tiếp điện cùng việc tính toán các thông số kỹ thuật trên cơ sở lý thuyết để đưa ra các kích thước ban đầu cho việc thiết kế anten chỉ mang tính ước lượng. Từ các thông số này ta sẽ đưa ra các thông số tối ưu bằng cách mô phỏng anten sử dụng phần mềm Ansoft HFSS. Hình 4.2: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu Hình 4.3: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu Tính toán các thông số lý thuyết của antenna theo các công thức:[1],[10]  Thiết lập tỉ số W/h để tìm W:                    rr r BBB h W    61.0 39.01ln 2 1 12ln1 2 (4.1) Với: Điểm dẫn nạp Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 51 roZ B   2 377  (4.2) Trong đó: W: độ dày của vòng (m) Zo: Trở kháng đặc tính ( ) h: độ dày của lớp điện môi (m) r : hằng số điện môi của tấm mạch in  Hằng số điện môi hiệu dụng: 2 1 12 1 2 1 2 1             W hrr reff   (4.3)  Bước sóng hoạt động của antenna: refff c    (4.4) Trong đó: f: tần số cộng hưởng (Hz) c = 3x108 (m/s): vận tốc ánh sáng.  Bán kính vòng: Do antenna hoạt động ở chế độ cộng hưởng 1 nên: C = = 2πa (4.5)  Tính toán thông số: Thay r = 4.6, Z0 = 50 vào công thức (4.1), (4.2) ta được W 3mm Thay vào (4.3) với h = 1.6mm ta được = 3.46 Thay vào (4.4) ta được = 67.2mm Từ (4.5) suy ra: a = = 10.7 mm Đối với mặt phản xạ ta chọn đường kính 2 . Khoảng cách giữa mặt phản xạ và tấm tấm bức xạ là 10  . Khoảng cách giữa hai điểm dẫn nạp là 2mm. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 52 4.1.3 Phương pháp tiếp điện cho anten Khi thiết kế anten, việc lựa chọn phương pháp tiếp điện hợp lý cho anten là rất quan trọng, nó quyết định đến khả năng phối hợp trở kháng của anten. Đối với cấu trúc của anten đang thiết kế trong đề tài này, phương pháp tiếp điện bằng cáp đồng trục được sử dụng, hay rõ hơn là sử dụng ba đoạn mini coax, một đầu được nối với nguồn phát và đầu kia được hàn lên anten. Đây là phương pháp đơn giản, được thực hiện dễ dàng, ống dẫn của cáp đồng trục có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trên tấm bức xạ để phối hợp trở kháng vào. 4.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá anten Khi thiết kế anten ta phải chú ý đến các thông số như tổn hao phản xạ S11, S22, S33, cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports) S21, S31,S32, tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR), độ lợi và đồ thị bức xạ của anten. Để đánh giá một anten ta phải dựa vào các thông số đó. Cụ thể anten đang thiết kế phải đạt được các yêu cầu sau: - Tỉ số sóng đứng VSWR < 2 ở dải tần hoạt động. - Tổn hao phản xạ (Return Loss) S11, S22 , S33< -10 dB ở dải tần hoạt động. - Cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports) S21, S31, S32 < -20 dB ở dải tần hoạt động. - Độ lợi (Gain) của một anten > 8 dB. - Tần số cộng hưởng 2.44 GHz. - Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) của một anten có búp sóng khoảng 600, định hướng tốt. 4.1.5 Tối ưu các thông số kỹ thuật cho anten Từ các thông số đã tính toán trước đó, ta dùng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng anten sao cho đạt các tiêu chuẩn đánh giá anten đã đề ra bằng cách thay đổi lần lượt từng thông số. Sau nhiều lần mô phỏng các thông số được tối ưu như sau: tấm đĩa phản xạ bằng kim loại có bán kính là 65 mm, bản mặt đĩa bức xạ FR-4 bán kính là 58 mm đặt phía trên tấm kim loại một khoảng không là 11.4 mm, tấm mạch in FR-4 có hằng số điện môi 6.4r , độ dày h = 1.6 mm. Ba anten giống nhau đặt cách nhau 120o với kích thước từng anten là bán kính a = 17 mm, độ Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 53 dày vòng W = 2.7 mm. Khoảng cách từ tâm đến từng anten là 21mm. Cấu trúc chi tiết được thể hiện ở Hình 4.2, Hình 4.3, Hình 4.4. 4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS Kết quả mô phỏng 1 Hình 4.4: Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS Kết quả mô phỏng theo thông số kỹ thuật tối ưu của anten:  Độ lợi (Gain): Hình 4.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 54  Độ định hướng (Directivity): Hình 4.6: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten  Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern): Hình 4.7: Đồ thị bức xạ của anten Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 55  S-parameters (Hệ số phản xạ S11, S22, S33) Hình 4.8: Hệ số phản xạ S11, S22, S33  Tỷ số sóng đứng (VSWR) Hình 4.9: Tỷ số sóng đứng (VSWR) Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 56  Hệ số cách ly (S21, S31, S32) Hình 4.10: Hệ số cách ly (S21, S31, S32)  Phân bố dòng điện của anten 1 Hình 4.11: Phân bố dòng điện của anten 1 Trên hình ta thấy phân phối dòng tối đa được nhìn thấy trong hướng của o135 và phù hợp các thành phần trường E trong mặt cắt x - z và y - z gần như giống nhau. Do đó đặc tính bức xạ phân cực kép đạt được trong mặt cắt x - z dọc theo đường kính của chất nền anten và mặt cắt y - z vuông góc với x - z với điều kiện dẫn nạp có độ xoay 45o.  Đồ thị trường Eθ, Eϕ  Khi dẫn nạp xoay 45o (Đặc tính phân cực kép) Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 57 Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z Hình 4.12: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45 o  Khi không xoay dẫn nạp Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z Hình 4.13: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi không xoay dẫn nạp 45 0 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 58  Khi dẫn nạp xoay 90o Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z Hình 4.14: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 90 o Ta thấy khi điểm dẫn nạp ở 0o và 90o thì trường Eθ, Eϕ rất khác nhau. Và khi xoay dẫn nạp ở 45o anten có phân cực Eθ và Eϕ gần như nhau do đó đạt được đặc tính phân cực kép. Từ mô phỏng ta thấy tần số cộng hưởng chính của anten tại 2.44 GHz với giá trị S11, S22, S33 = -21.4 dB, tỷ số sóng đứng của anten là 1.18, độ lợi của anten là 8.27 dB, độ định hướng là 8.63 dB. Đồ thị bức xạ của anten có búp sóng chính khoảng 60o, giá trị S21, S31, S32 tại tần số 2.44 GHz là -20.1 dB. Băng thông khoảng 160 MHz (tính băng thông dựa trên dải tần có giá trị tham số S dưới -10 dB). Với kết quả này là đạt yêu cầu đặt ra. Nhưng băng thông chưa lớn, do đó ta sẽ cải thiện băng thông bằng cách thay đổi hình dáng anten. Do độ dày của vòng ảnh hưởng đến băng thông nên khi ta tăng độ dày thì băng thông cũng tăng theo nhưng không nhiều do đó ta sẽ cắt thêm một khe có kích thước dài là 5 mm, rộng là 2 mm như Hình 4.15. Và khi tăng độ dày của vòng thì lại thay đổi tần số cộng hưởng do đó ta phải điều chỉnh lại kích thước của anten như sau: tấm đĩa phản xạ bằng kim loại có bán 900 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 59 kính là 70 mm, bản mặt đĩa bức xạ FR-4 bán kính là 64 mm. Kích thước từng anten là bán kính a = 19 mm, độ dày vòng W = 5.5 mm. Khoảng cách từ tâm đến từng anten là 25 mm. Kết quả mô phỏng 2  Khi anten cắt khe cải thiện băng thông Hình 4.15: Anten cắt khe cải thiện băng thông  Độ lợi (Gain): Hình 4.16: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten khi cắt khe Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 60  Độ định hướng (Direction) Hình 4.17: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten khi cắt khe  Đồ thị bức xạ Hình 4.18: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi cắt khe Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 61  S-parameters (Hệ số phản xạ S11, S22, S33) Hình 4.19: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten khi cắt khe  Tỷ số sóng đứng (VSWR): Hình 4.20: Tỷ số sóng đứng (VSWR) của anten khi cắt khe Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 62  Hệ số cách ly (S21, S31, S32) Hình 4.21: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten khi cắt khe  Phân bố dòng điện của anten: Hình 4.22: Phân bố dòng điện của anten khi cắt khe Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 63  Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45 o Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z Hình 4.23: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi anten cắt khe Kết quả mô phỏng tương đối đạc yêu cầu đặt ra là cải thiện băng thông khoảng 280 MHz. Nhưng độ lệch của Eθ, Eϕ là 2.7 dB thì vẫn còn cao do phân bố dòng ở 135o hơi lệch. Do đó ta sẽ cắt một khe nhỏ dài 0.5mm và rộng 0.4mm ở ϕ = 135o như Hình 4. 24 để tập trung phân bố dòng giảm độ lệch của Eθ, Eϕ. Hình 4.24: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 64 Kết quả mô phỏng 3: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o  Độ lợi (Gain): Hình 4.25: Độ lợi của anten cắt khe nhỏ  Độ định hướng (Directivity): Hình 4.26: Độ định hướng của anten cắt khe nhỏ Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 65  Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern): Hình 4.27: Đồ thị bức xạ của anten cắt khe nhỏ  S-parameters (Hệ số phản xạ S11, S22, S33) Hình 4.28: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten cắt khe nhỏ Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 66  Tỷ số sóng đứng (VSWR): Hình 4.29: Tỷ số sóng đứng của anten cắt khe nhỏ  Hệ số cách ly (S21, S31, S32) Hình 4.30: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten cắt khe nhỏ Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 67  Phân bố dòng điện của anten: Hình 4.31: Phân bố dòng điện của anten cắt khe nhỏ  Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45 o Mặt phẳng x-z Mặt phẳng y-z Hình 4.32: Đồ thị trường Eθ, Eϕ của anten khi cắt khe nhỏ Kết luận: Qua các mô phỏng trên ta đạt được kết quả:  Anten cộng hưởng ở tần số 2.44 GHz  Độ lợi đạt 8.45 dB (Hình 4.25) và độ định hướng 8.7 dB (Hình 4.26)  Tỷ số sóng đứng VSWR là 1.11 dB (Hình 4.29). Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 68  Băng thông của anten khoảng 285 MHz (Hình 4.28). Cải thiện được 125 MHz so với anten vòng ban đầu.  Đồ thị bức xạ của từng anten có búp sóng chính khoảng 60o (Hình 4.27).  Hệ số cách ly là -20 dB (Hình 4.30).  Độ lệch Eθ, Eϕ đã giảm xuống 2.3 dB so với anten chưa cắt khe nhỏ (Hình 4.32). Với kết quả này thì có thể thực hiện anten thực tế. Ngoài các kết quả mô phỏng được trình bày ở trên, một số kết quả mô phỏng khi thay đổi bán kính vòng (a), độ dày vòng (W), đường kính mặt phản xạ, khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ, khoảng cách từ tâm đến từng anten cũng được thực hiện và thống kê để tham khảo. Thay đổi đường kính vòng của từng anten: Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được giữ nguyên, chỉ thay đổi bán kính vòng. Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi bán kính vòng Bán kính vòng (a) (mm) Độ lợi (dB) Độ định hướng (dB) Return loss (S11) tại 2.44GHz (dB) VSWR (mag) Isolation between 2 ports (S21) tại 2.44GHz (dB) Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt nhất (GHz) 18 8.49 8.79 -15.2 1.42 -21.8 290 4 2.53 18.5 8.46 8.74 -18.6 1.25 -20.8 290 0.8 2.48 19 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 19.5 8.43 8.67 -13.9 1.49 -20 280 4.4 2.38 20 8.43 8.66 -8.4 2.23 -21.3 260 4.9 2.33 Nhận xét: Từ các kết quả trên ta thấy khi thay đổi bán kính vòng ảnh hưởng rất nhiều đến anten. Khi bán kính vòng tăng thì độ lợi và độ định hướng giảm, nhưng không ảnh hưởng nhiều đến hệ số cách ly giữa hai ngõ vào. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 69 Bán kính vòng thay đổi ảnh hưởng nhiều đến tần số cộng hưởng và băng thông của anten. Tần số cộng hưởng và băng thông của anten giảm khi bán kính vòng tăng lên. Thay đổi độ dày của vòng anten (W) Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được giữ nguyên, chỉ thay đổi độ dày vòng anten. Bảng 4.2: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi độ dày của vòng anten Độ dày vòng (W) (mm) Độ lợi (dB) Độ định hướng (dB) Return loss (S11) tại 2.44GHz (dB) VSWR (mag) Isolation between 2 ports (S21) tại 2.44GHz (dB) Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt nhất (GHz) 4.5 8.38 8.65 -10 1.93 -21.2 240 4.7 2.35 5 8.4 8.67 -15.6 1.38 -20.5 250 4.1 2.39 5.5 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 6 8.46 8.73 -19.5 1.23 -20.4 310 0.8 2.46 6.5 8.52 8.77 -16.4 1.35 -20.4 320 1.5 2.5 Nhận xét: Khi thay đổi độ dày vòng thì ảnh hưởng rất nhiều đến anten. Khi độ dày vòng tăng thì độ lợi và độ định hướng tăng, băng thông, tần số cộng hưởng cũng tăng theo. Do chu vi vòng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten. Hệ số phản xạ và tỷ số sóng đứng thấp nhất ở 5.5 mm. Hệ số cách ly cũng thay đổi nhưng không nhiều. Thay đổi đường kính mặt phản xạ: Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được giữ nguyên, chỉ thay đổi đường kính của mặt phản xạ. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 70 Bảng 4.3: Thống kê kết quả mô phỏng anten vòng khi thay đổi đường kính mặt phản xạ. Đường kính mặt phản xạ (mm) Độ lợi (dB) Độ định hướng (dB) Return loss (S11) tại 2.44GHz (dB) VSWR (mag) Isolation between 2 ports (S21) tại 2.44GHz (dB) Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt nhất (GHz) 68 8.23 8.49 -23.7 1.13 -19.7 285 2.5 2.44 69 8.33 8.59 -24.6 1.13 -20.2 280 2.6 2.44 70 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 71 8.51 8.7 -22.8 1.12 -20.7 280 2.7 2.43 72 8.59 8.85 -24.2 1.14 -20.9 270 2.8 2.42 Nhận xét: Đường kính của mặt phản xạ tăng lên thì độ lợi và độ định hướng tăng theo. Tỷ số sóng đứng, độ cách ly port, băng thông cũng thay đổi nhưng không nhiều. Đường kính mặt phản xạ thay đổi cũng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten nhưng không đáng kể. Thay đổi khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ: Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được giữ nguyên, chỉ thay đổi khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ. Bảng 4.4: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách giữa tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ. Khoảng cách tấm bức xạ và mặt phản xạ (mm) Độ lợi (dB) Độ định hướng (dB) Return loss (S11) tại 2.44GHz (dB) VSWR (mag) Isolation between 2 ports (S21) tại 2.44GHz (dB) Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt nhất (GHz) Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 71 9.4 8.35 8.64 -27 1.1 -19.7 270 2.3 2.44 10.4 8.35 8.64 -35.9 1.04 -19.8 280 3.1 2.44 11.4 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 12.4 8.35 8.64 -19.6 1.23 -20.9 280 2.4 2.4 13.4 8.35 8.64 -16.2 1.35 -21.3 270 2.1 2.4 Nhận xét: Khoảng cách giữa tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ ảnh hưởng đến hệ số phản xạ của anten. Khi khoảng cách là 9.4 mm và 10.4 mm thì đạt hệ số phản xạ thấp nhưng hệ số cách ly cao và băng thông thấp hơn khi khoảng cách bằng 11.4 mm nên ta chọn khoảng cách là 11.4 mm. Độ lợi và độ định hướng của anten cũng bị ảnh hưởng nhưng không nhiều. Tần số cộng hưởng của anten cũng thay đổi khi khoảng cách tấm bức xạ và mặt phản xạ thay đổi nhưng không thay đổi nhiều. Thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng: Các kết quả mô phỏng này được thực hiện với các kích thước của anten được giữ nguyên, chỉ thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng. Bảng 4.5: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng Khoảng cách từ tâm đến anten vòng (mm) Độ lợi (dB) Độ định hướng (dB) Return loss (S11) tại 2.44GHz (dB) VSWR (mag) Isolation between 2 ports (S21) tại 2.44GHz (dB) Băng thông (MHz) Độ lệch Eθ, Eϕ (dB) Tần số cộng hưởng tốt nhất (GHz) 22 8.77 9 -14 1.4 -19 240 3 2.38 23 8.7 9 -16.1 1.36 -19.7 250 3 2.38 24 8.69 9 -18.8 1.26 -20 270 3.1 2.4 25 8.45 8.7 -24.5 1.11 -20.28 285 2.3 2.44 26 8.6 8.86 -23.6 1.12 -21.9 280 2.5 2.44 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 72 Nhận xét: Khoảng cách từ tâm đến từng anten ảnh hưởng đến hệ số cách ly của anten. Khi khoảng cách lớn thì hệ số cách ly nhỏ. Độ lợi và độ định hướng cũng thay đổi nhưng không nhiều. Khoảng cách từ tâm đến từng anten cũng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng. Khi khoảng cách tăng thì tần số cộng hưởng cũng tăng theo. Khi khoảng cách bằng 25 mm thì độ lệch Eθ, Eϕ là nhỏ nhất.  Sau khi mô phỏng anten thành công ta tiến hành thiết kế anten thực tế và đo đạc các kết quả. 4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế 4.4.1 Hình ảnh thực tế của anten: Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 73 4.4.2 Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ và đo đạc thực tế Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11 Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 74 Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33 Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 75 Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31 Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 76 Kết quả đo đạc của anten chưa cải thiện băng thông và anten đã cải thiện băng thông bằng cách cắt khe Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải tần 100 MHz – 8 GHz Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải tần 2-3GHz Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 77 Anten được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Ansys HFSS. Các thông số tán xạ S được đo đạc bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8. Các kết quả mô phỏng và đo đạc được thể hiện qua các hình cho ta một anten có tần số cộng hưởng tại 2.44 GHz, hệ số phản xạ S11, S22 và S33 là khoảng – 20 dB và anten đo đạc có băng thông rộng hơn so với anten mô phỏng (Hình 4.34, 4.35, 4.36). Độ cách ly giữa các ngõ vào S21, S31 và S32 theo mô phỏng so sánh với kết quả đo đạc thấp hơn -20 dB như được trình bày ở Hình 4.37, 4.38, 4.39. Ngoài ra kết quả đo đạc so sánh hệ số phản xạ S11 giữa anten chưa cải thiện băng thông và anten đã cải thiện băng thông được thể hiện như Hình 4.40, 4.41. Trong đó băng thông khi chưa cải thiện là gần 270MHz và sau khi cải thiện là gần 370 MHz (tính băng thông dựa trên dải tần có giá trị S11 dưới -10 dB). Vậy kết quả đo đạc cho thấy băng thông được cải thiện khoảng 100MHz. Từ các kết quả trên ta thấy kết quả mô phỏng các thông số như hệ số phản xạ S11, S22, S33 và hệ số cách ly port S21, S31, S32 khá phù hợp với số liệu đo đạc thực tế. Và anten đã cải thiện được băng thông khá tốt. 4.4.3 Kết quả đo đạc độ lợi trên anten thực tế Đo bằng máy đo EMC Analyzer E7405: Dùng máy đo chuyên dụng EMC Analyzer E7405 trong phòng thí nghiệm Viễn thông để đo độ lợi của anten thực tế tại các tần số khác nhau. Sau khi đo đạc cho thấy: - Độ lợi cực đại của anten khoảng 8.62 dBi tại tần số 2.44 GHz. Trong đó việc đo đạc độ lợi dựa trên sự chênh lệch công suất tín hiệu RF nhận được trong 2 trường hợp sử dụng antenna phát là antenna lưỡng cực nửa sóng và antenna vòng, cộng thêm độ lợi 2 dB của anten lưỡng cực nửa sóng. Tức là độ lợi anten tại tần số 2.44 GHz là: (46.47dBm - 39.85dBm) + 2dB = 8.62 dBi. - Anten hoạt động tốt ở dải tần 2.34 GHz đến 2.54 GHz như theo Bảng 4.5. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 78 Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tại tần số 2.44 GHz Hình 4.43: Đo anten vòng tại tần số 2.44 GHz Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ của anten lưỡng cực nửa sóng và anten vòng Tần số (GHz) 2.34 2.44 2.54 Cường độ anten lưỡng cực nửa sóng (dBm) -47.93 -46.47 -50.54 Cường độ anten vòng (dBm) -41.68 -39.85 -44.17 Độ lợi (dBi) 8.25 8.62 8.37 Magnitude = -46.47 dBm Magnitude = -39.85 dBm Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 79 Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN thu được của anten vòng tốt hơn so với trường hợp sử dụng anten lưỡng cực nửa sóng độ lợi 2 dBi. Như vậy, có thể kết luận anten được thiết kế có độ lợi đạt yêu cầu đặt ra. Đo bằng phần mềm Netstumbler Để kiểm nghiệm thực tế về độ lợi, anten vòng được gắn vào một access point WLAN dải tần 2.4 GHz, chuẩn N có tính năng MIMO 3x3 (với 3 anten bức xạ toàn hướng độ lợi 5 dBi) như Hình 4.44. Phần mềm Netstumbler cài đặt trên máy tính xách tay được sử dụng trong đo đạc này. Kết quả đo đạc cường độ trung bình của tín hiệu RF thu được ở môi trường trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) của anten toàn hướng và anten vòng lần lượt là –57 dBm và – 54 dBm (Hình 4.45), và môi truyền có che chắn NLOS (Non- Line-Of-Sight) của anten vòng và anten toàn hướng lần lượt là –68 dBm và –71 dBm (Hình 4.46). Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN thu được của anten vòng tốt hơn so với trường hợp sử dụng 3 anten toàn hướng độ lợi 5 dBi. Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 80 Hình 4.45: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) Hình 4.46: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền có che chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight) Anten toàn hướng Anten vòng Anten toàn hướng Anten vòng Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 81 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận  Anten phân cực kép đã được thiết kế trên tấm mạch in FR-4. Anten được làm bằng vật liệu mạch in FR-4 cho tấm bức xạ, và nhôm cho mặt phản xạ. Với việc xoay điểm dẫn nạp 45o nhằm tạo phân cực kép cho anten và cắt khe trên vòng để cải thiện băng thông và độ lệch trường Eθ, Eϕ. Kích thước anten: đường kính mặt phản xạ nhôm 140 mm, đường kính chất nền là 128 mm, khoảng cách giữa tấm bức và mặt phản xạ 11.4 mm. Đường kính vòng lớn của một anten là 38 mm, độ dày vòng là 5.5 mm. Kết quả mô phỏng của anten phù hợp khá tốt với kết quả đo đạc thực tế.  Với đặc tính phân cực kép cho phép anten thu phát được trên nhiều phân cực hơn, băng thông được cải thiện để sử dụng cho nhiều dịch vụ mạng hơn. Kết hợp với việc thiết kế anten trên mạch in nên anten có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ chế tạo, giá thành thấp và độ bền cao Từ đó, sản phẩm anten cuối cùng thu được có cả ưu điểm về truyền nhận tín hiệu và cấu trúc vật lý.  Tóm lại, các kết quả nghiên cứu trên mô phỏng và kiểm chứng thực tế bằng máy đo chuyên dụng chứng tỏ rằng anten đã được thiết kế thành công, Một anten phân cực kép đã được thiết kế cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz. Kết quả về độ lợi, tần số cộng hưởng, hệ số phản xạ, độ cách ly giữa 2 ngõ vào thu được bằng mô phỏng sử dụng phần mềm Ansys HFSS khá phù hợp với kết quả đo đạc thực tế. Điều đó chứng tỏ anten được thiết kế đạt các yêu cầu đã đề ra về độ lợi, và các thông số tán xạ S. Anten này có thể được sử dụng như một anten phân cực kép cho các access point WLAN 2.4 GHz với hệ thống anten MIMO 3x3. 5.2 Đề nghị  Cần tối ưu các thông số kỹ thuật của anten hơn nữa để anten cộng hưởng tốt nhất tại tần số 2.44 GHz, hệ số phản xạ và độ cách ly thấp hơn, độ lợi và độ định hướng lớn hơn và độ chênh lệch trường Eθ, Eϕ là thấp nhất. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A.Balanis. Antenna Theory Analysis and Design, 2rd ed, John Wiley & Sons, Inc, 2005. [2] Marwa Shakeeb. Circularly Polarized Microstrip Antenna, Concordia University Montreal, Quebec, Canada, December 2010. [3] Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee. “Low-Cost Dual-Loop-Antenna System for Dual-WLAN-Band Access Points,” Ieee Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 59, No. 5, May 2011. [4] Y. X. Guo and K. M. Luk. “Dual-polarized dielectric resonator an-tennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 51, pp. 1120–1124, May 2003. [5] F. S. Chang, H. T. Chen, K. C. Chao, and K. L. Wong. “Dual-polarized probe-fed patch antenna with highly decoupled ports for WLAN base station,” in IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. Dig., Monterey, CA, pp. 101–109, 2004. [6] C. Liu, J.-L. Guo, Y.-H. Huang, and L.-Y. Zhou. “A novel dual-polarized antenna with highbisolation and low cross polarization for wireless communication,” Progress In Electromagnetics Research Letter, Vol. 32, pp.129-136, 2012. [7] S.-W. Su. “Printed loop antenna integrated into a compact, outdoor Wlan access point with dual-polarized radiation,” Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 19, pp.25-35, 2011. [8] Antar, Y.M.M., Microstrip Antenna design handbook, Antennas and Propagation Magazine, IEEE, Royal Military College of Canada, April 2003. [9] John D. Kraus, Ronald J. Marhefka. Antenna for all application, MC-Graw Hill Companies, INC, 2002. [10] David M. Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Son, INC, 1990. Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh HVTH: Võ Hồng Ngân 1 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. Lý lịch sơ lược Họ và tên: Võ Hồng Ngân Giới tính: Nữ Ngày tháng năm sinh: 13/10/1987 Nơi sinh: Tiền Giang Địa chỉ: 492/14C, xã Thanh Đức, huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long Điện thoại liên hệ: 0939616008 Email: vhngan43@gmail.com II. Quá trình đào tạo  Đại học: Thời gian đào tạo: Từ tháng 09 năm 2005 đến tháng 09 năm 2009 Hệ đào tạo: Chính quy Nơi đào tạo: Đại học Cần Thơ. Ngành học: Điện tử - Viễn thông  Thạc sĩ: Thời gian đào tạo: Từ tháng 10/2011 đến nay. Nơi đào tạo: Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện tử.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfthiet_ke_he_thong_anten_vong_cho_ung_dung_wlan_2_4ghz_5388.pdf
Luận văn liên quan