Tài liệu Thiết kế hệ thống anten vòng cải thiện băng thông cho ứng dụng mạng wlan 2.4ghz

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ỨNG DỤNG MẠNG WLAN 2.4GHZ Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Võ Hồng Ngân Đồng Nai, tháng 05 năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ỨNG DỤNG MẠNG WLAN 2.4GHZ Mã số: Chủ nhiệm đề tài Võ Hồng Ngân Đồng Nai, tháng 05 năm 2020 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA PHỐI HỢP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ và tên Học vị, học hàm chuyên môn 1 Nguyễn Xuân Toại Thạc sĩ Đại học Công Nghệ Đồng Nai 2 Lương Văn Thanh Sinh viên Trường ĐH công nghệ Đồng Nai 3 Vũ Thành Lộc Sinh viên Trường ĐH công nghệ Đồng Nai 4 Trần Bảo Minh Nhật Sinh viên Trường ĐH công nghệ Đồng Nai HVTH: Võ Hồng Ngân Cơ quan công tác Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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 2.5 Các thông số đặc trưng của anten......................................................................10 2.6 Các hệ thống anten ............................................................................................17 CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................... 19 3.1 Giới thiệu ...........................................................................................................19 3.2 Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển .................................19 3.3 Cấu tạo ...............................................................................................................20 3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu ......................................................................21 3.5 Nguyên lý hoạt động của antenna vi dải ...........................................................24 3.6 Tính phân cực của anten vi dải..........................................................................25 3.7 Dải tần anten vi dải............................................................................................25 3.8 Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải ................................................27 3.9 Một số loại anten vi dải cơ bản .........................................................................30 3.10 Anten vòng ......................................................................................................32 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC............................................................... 34 4.1 Phương pháp thiết kế anten ...............................................................................34 4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS .....................................38 4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế .................................................................57 HVTH: Võ Hồng Ngân Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...................................................................................... 65  Kết luận ........................................................................................................65 HVTH: Võ Hồng Ngân Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế hệ thống anten vòng cải thiện băng thông cho ứng dụng mạng WLAN 2.4GHz - Mã số: - Chủ nhiệm đề tài: ThS. Võ Hồng Ngân - Điện thoại: 0939289001 Email: [email protected] - Đơn vị quản lý về chuyên môn (Khoa, Tổ bộ môn): Công nghệ, Điện tử - Thời gian thực hiện: 10/2019 đến 4/2020 2. Mục tiêu: 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. 3. Nội dung chính: 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. Kết quả mô phỏng trên máy tính (các thông số tán xạ S11, S22, S33, S21, S31, S32) được so sánh với kết quả đo đạc thực tế. Độ lợi của anten cũng được kiểm chứng thực tế thông 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. 4. Kết quả chính đạt được: 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. Kết quả đạt được phù hợp thực tế. HVTH: Võ Hồng Ngân Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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-multipleoutput) 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 với kết quả đo đạc thực tế. Độ lợi của anten cũng được kiểm chứng thực tế thông TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 1 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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 (Minicoaxial). 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 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 2 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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. TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 3 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 4 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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 D ,   và độ lợi G  ,   . D  ,   mô tả kiểu bức xạ. G  ,   cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ). TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 5 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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 it theo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn quy luật sin t , cos t dưới dạng phức e  E  Re( E eit )  E cos(t ) (2.1a) hoặc  reff  r 1  r 1 2  2 12h  1    W   1 2 (2.1b) Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:  rotH  i p E  J e (2.2a) rotE  iH (2.2b) e divE   (2.2c) divH  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) TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 6 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường    p   1  i      (2.3) (hệ số điện thẩm phức của môi trường) 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) J e : là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (  e : là mật độ khối của điện tích. ( A ) m2 C ) m3 Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ 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: rotH  i p E  J e (2.4a) rotE  iH  J m (2.4b) m divE   (2.4c) e divH    (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 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 7 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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. 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. 2.4.1 Bước sóng (Wavelenght) Bước sóng là khoảng cách sóng vô tuyến truyền đi trong một chu kì. Công thức tính bước sóng theo tần số:  v c  f f  eff (2.5) Trong đó: λ: bước sóng [m]. f : tần số tín hiệu [Hz].  eff : hằng số điện môi hiệu dụng. v : vận tốc truyền sóng [m/s]. c = 3.108 m/s (chính xác c = 299.792.458 m/s) vận tốc truyền sóng trong không gian hay vận tốc ánh sáng. 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. Z0  Vn V1 V2   ....   cons tan t I1 I 2 I n TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại (2.6) 8 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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.  Vr I r  Vi Ii (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  TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại Z L  Z0 Z L  Z0 (2.8) 9 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2.5 Các thông số đặc trưng của anten 2.5.1 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 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1] ZA  UA  R A  jX A IA (2.11) Với RA = RL + Rr Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của điện trở vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe RA  PA I Ae (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 đẳng 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. TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 10 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường D U 4U  U0 Prad D max  D0  (2.13) U max 4U max  U0 Prad (2.14) D: độ định hướng (directivity). Trong đó: 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: 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 đẳng hướng (isotropic). G ( ,  )  4 U ( ,  ) Pin (2.15) Nếu anten không tổn hao, Pin = Prad 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 (Prad) của anten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (Pin): Prad  Pin . Vì vậy trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng. Để biểu diễn mối quan hệ giữa Pin và Prad người ta dùng khái niệm hiệu suất bức xạ. Kí hiệu e. e Prad Pin , e≤1 => G ( , )  eD( ,  ) (2.16) (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 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 11 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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]  Giản đồ đẳng hướng và hướng tính 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 lại“. 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  f  ,   và hướng tính trong mặt phẳng chứa 2  vector E (elevation plane) với g  ,   const  TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 12 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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 TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 13 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 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. TH: Võ Hồng Ngân - Nguyễn Xuân Toại 14