Tài liệu Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng wlan 2.4 ghz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM  VÕ HỒNG NGÂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ANTEN VÒNG CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4GHz Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM, Tháng 12/2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LƯƠNG VINH QUỐC DANH Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................ Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................ Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 31 tháng 12 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. ............................................................ 2. ............................................................ 3. ............................................................ 4. ............................................................ 5. ............................................................ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------------------- --------o0o------Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: VÕ HỒNG NGÂN MSHV: 11810080 Ngày, tháng, năm sinh: 13/ 10/ 1987 Nơi sinh: Tiền Giang Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã Số: 605270 I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu và thiết kế anten vòng phân cực kép cho ứng dụng WLAN dải tần 2.4 GHz. - Mô phỏng trên phần mềm HFSS 13.0.2 và thi công thực tế. - Đo các thông số tán xạ S bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8 và so sánh với kết quả mô phỏng. Đo cường độ sóng của anten lưỡng cực nửa sóng thông thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, so sánh và đánh giá kết quả. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Ngày 10 Tháng 02 Năm 2013 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 14 Tháng 11 Năm 2014 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LƯƠNG VINH QUỐC DANH Tp. HCM, ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lương Vinh Quốc Danh, đã tận tình chỉ bảo cùng những tài liệu quý báu của thầy đã giúp em hoàn thành luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa qua. Xin cảm ơn các bạn học viên và những người thân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc khó khăn trong thời gian thực hiện. Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên đề tài sẽ không tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp xây dựng của quý Thầy, Cô và các bạn học viên để có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện hướng nghiên cứu của mình. TP Hồ Chí Minh, Tháng 12/2014 Võ Hồng Ngân HVTH: Võ Hồng Ngân i Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Để giảm suy hao trong quá trình truyền, nhận tín hiệu thì việc phù hợp phân cực ở cả hai anten phát và thu là một vấn đề quan trọng. Bên cạnh đó để tiết kiệm các trạm gốc khi không gian có hạn cũng là vấn đề đáng quan tâm. Sử dụng anten phân cực kép được trình bày ở đây là một giải pháp tốt hơn giữa truyền và nhận của hai anten, tiết kiệm không gian, làm giảm tác dụng của phản xạ đa đường (multipath fading), … Ở đây luận văn tập trung giới thiệu một anten phân cực kép có khả năng hoạt động ở dải tần WLAN (Wireless Local Area Network) 2.4 GHz. Anten được thiết kế bao gồm một tấm mạch in FR-4 tròn với ba anten vòng được sắp xếp xoay vòng 120o theo cấu trúc đối xứng. Bản mạch in FR-4 được đặt cách tấm phản xạ một khoảng cách nhỏ. Kích thước của anten và vị trí đặt ngõ vào (port) tiếp tín hiệu sử dụng cáp đồng trục được tối ưu để có được sóng phân cực kép, tần số cộng hưởng 2.44 GHz, độ lợi đỉnh lớn hơn 8-dBi, và độ cách ly giữa hai ngõ vào dưới – 20 dB. Bên cạnh đó băng thông được cải thiện để sử dụng được nhiều dịch vụ mạng hơn. Các kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả đo đạc thực tế. Anten có thể được sử dụng cho các access point (AP) dải tần 2.4 GHz có hệ thống anten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 3x3. Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Ansoft HFSS và được thi công trên PCB FR-4 có hằng số điện môi εr = 4.6, độ dày là 1.6 mm. Đo công suất tín hiệu của anten lưỡng cực nửa sóng thông thường so với anten được thiết kế bằng máy đo EMC Analyzer E7405 và phần mềm Netstumbler, đo các thông số tán xạ S bằng máy Vector Network Analyzer – R&S ZBV8. HVTH: Võ Hồng Ngân ii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh Abstract To reduce loss during signal transmitting and receiving, the appropriate polarization at both transmitter and receiver antennas is an important issue. In addition, saving the base station in condition of narrow space is also concerned. Using dual-polarized antenna, which is presented in this thesis, is a better solution between transmitted and received signals of the two antennas, help to save space and reduce effects of multipath fading as well. This thesis will focus on introducing a dual-polarized antenna capable of operating in the frequency range of the WLAN (Wireless Local Area Network) 2.4GHz. A designed antenna includes an FR-4 printed circuit boards with three circular loop antennas are arranged 120° rotation with symmetry structure. FR-4 PCB is placed far away the reflector with a small distance. The size of the antenna and the placement of input (port) to the signal using a coaxial cable, which is optimized for dual-polarized waves, the resonant frequency of 2.44 GHz, the peak gain is greater than 8-dBi, and the isolation between the inputs below - 20 dB. In addition, the bandwidth can be improved to use for multi-network services. The simulation results match the actual measurement results. Antenna can be used for the access points (APs) with 2.4 GHz frequency range, which has MIMO antenna systems (Multiple-Input Multiple-Output) 3x3. The simulation is performed on Ansoft HFSS and be constructed on FR-4 PCB with dielectric constant εr = 4.6, thickness of 1.6 mm. Measuring the signal power by half-wavelength dipole antenna usually marketed compared with the antenna design by EMC Analyzer E7405 machine and Netstumbler software, measuring the scattering parameters S by Vector Network Analyzer - R & S ZBV8 machine. HVTH: Võ Hồng Ngân i Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Thiết kế hệ thống anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz” dưới sự hướng dẫn của TS. Lương Vinh Quốc Danh. Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và chưa có phần nội dung hay kết quả nào của luận văn này được công bố trên tập chí hay nộp để lấy bằng trên các trường đại học nào đó, ngoại trừ các kết quả tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014 Học viên Võ Hồng Ngân HVTH: Võ Hồng Ngân i Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1 1. 1 Đặt vấn đề .................................................................................................. 1 1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề ............................................................................ 2 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 2 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 2 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết ..................................... 3 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ............................................. 4 2.1 Giới thiệu chung về anten .......................................................................... 4 2.2 Hệ phương trình Maxwell .......................................................................... 6 2.3 Đặc tính bức xạ điện từ của anten............................................................... 7 2.4 Đặc tính của đường dây truyền sóng .......................................................... 8 2.4.1 Bước sóng (Wavelenght) .................................................................... 8 2.4.2 Trở kháng đặc tính (characteristic impedance) .................................... 9 2.4.3 Phối hợp trở kháng ............................................................................. 9 2.4.4 Hệ số phản xạ (Γ) ............................................................................. 10 2.4.5 Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng ........................................ 10 2.4.6 Tổn hao phản xạ (Return loss) .......................................................... 11 2.5 Các thông số đặc trưng của anten .............................................................. 11 2.5.1 Trở kháng vào của anten ................................................................... 11 2.5.2 Hệ số định hướng và độ tăng ích....................................................... 12 2.5.3 Giản đồ bức xạ (Radiation pattern) ................................................... 13 2.5.4 Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ.................................... 16 2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ...................................... 18 2.5.6 Hiệu suất của anten (et) ..................................................................... 19 2.5.7 Tính phân cực của anten ................................................................... 20 2.5.8 Dải tần của anten .............................................................................. 21 2.6 Các hệ thống anten .................................................................................... 22 HVTH: Võ Hồng Ngân ii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................ 24 3.1 Giới thiệu .................................................................................................. 24 3.2 Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển ........................... 25 3.3 Cấu tạo...................................................................................................... 25 3.4 Những phương pháp cấp tín hiệu .............................................................. 26 3.4.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải................................................... 27 3.4.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục ............................................................ 28 3.4.3 Tiếp điện bằng cách ghép khe ........................................................... 29 3.4.4 Tiếp điện bằng cách ghép lân cận ..................................................... 30 3.5 Nguyên lý hoạt động của antenna vi dải ................................................... 31 3.6 Tính phân cực của anten vi dải ................................................................. 32 3.7 Dải tần anten vi dải .................................................................................. 33 3.8 Phương pháp phân tích và thiết kế anten vi dải......................................... 36 3.8.1 Mô hình đường truyền ...................................................................... 37 3.8.2 Mô hình hốc cộng hưởng .................................................................. 39 3.8.3 Mô hình sóng đầy đủ ....................................................................... 41 3.8.4 Phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................... 41 3.9 Một số loại anten vi dải cơ bản................................................................. 41 3.10 Anten vòng .............................................................................................. 44 3.11 Tóm tắt .................................................................................................... 48 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC ............................................................. 49 4.1 Phương pháp thiết kế anten ....................................................................... 49 4.1.1 Cơ sở thiết kế anten .......................................................................... 49 4.1.2 Tính toán các thông số kỹ thuật cho anten ........................................ 50 4.1.3 Phương pháp tiếp điện cho anten ...................................................... 52 4.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá anten ................................................................ 52 4.1.5 Tối ưu các thông số kỹ thuật cho anten ............................................. 52 4.2 Kết quả mô phỏng anten với phần mềm Ansoft HFSS............................... 53 4.4 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế ......................................................... 72 4.4.1 Hình ảnh thực tế của anten................................................................ 72 HVTH: Võ Hồng Ngân iii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh 4.4.2 Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế ................................................. 73 4.4.3 Kết quả đo đạc độ lợi trên anten thực tế .............................................. 76 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 81 5.1 Kết luận .................................................................................................... 81 5.2 Đề nghị ..................................................................................................... 81 HVTH: Võ Hồng Ngân iv Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh DANH SÁCH HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ............................................. 4 Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1]..................................................... 6 Hình 2.2: Mô hình đường truyền sóng ..................................................................... 9 Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1] .................. 11 Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1] ................................................... 13 Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1] ........................................... 14 Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1] .... 14 Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính ............................................ 16 Hình 2.8: Sự quay của vector điện trường .............................................................. 20 Hình 2.9: Các loại phân cực [2] ............................................................................. 21 Hình 2.10: Độ rộng băng thông ............................................................................. 22 CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................ 24 Hình 3.1: Cấu trúc của anten vi dải dạng chữ nhật và dạng tròn [1] ...................... 26 Hình 3.2: a. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải, b. Mạch điện tương đương ......... 27 Hình 3.3: a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục, b. Mạch điện tương đương .................. 28 Hình 3.4: Hình dạng của Mini - coaxial ................................................................. 29 Hình 3.5: a. Tiếp điện bằng cách ghép khe, b. Mạch điện tương đương ................. 30 Hình 3.6: a. Tiếp điện bằng ghép đôi lân cận, b. Mạch điện tương đương .............. 30 Hình 3.7: Tường bức xạ E và H của antenna vi dải [1] .......................................... 31 Hình 3.8: Anten vòng xoay dẫn nạp một góc 45o ................................................... 32 Hình 3.9 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [8] ................................................. 34 Hình 3.10: Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [8].............. 34 Hình 3.11: Các dạng ghép kí sinh [8]..................................................................... 35 Hình 3.12: Tấm patch hình chữ nhật được cắt khe chữ U [8] ................................. 36 Hình 3.13. Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L [8] ......... 36 Hình 3.14: (a) Đường vi dải [1], (b) Các đường điện trường [1] ............................ 37 Hình 3.15: Trường phân bố [1] .............................................................................. 38 HVTH: Võ Hồng Ngân v Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.16: Mật độ điện tích và dòng điện trên tấm tấm bức xạ vi dải [1] .............. 39 Hình 3.17: Các dạng tấm bức xạ anten vi dải ......................................................... 42 Hình 3.18: Một vài dipole mạch in và vi dải [8]..................................................... 43 Hình 3.19: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện [8].................................. 43 Hình 3.20: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in [8] .................................. 44 Hình 3.21 : Biên độ và pha của anten vòng tròn nhỏ [1] ........................................ 46 Hình 3.22: Độ định hướng của anten vòng khi θ = 0, π [1] .................................... 46 Hình 3.23: Trở kháng ngõ vào của anten vòng tròn [1] ......................................... 48 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC ............................................................. 49 Hình 4.1: Anten vòng tham khảo [3]...................................................................... 49 Hình 4.2: Cấu trúc mặt bên của anten ban đầu ....................................................... 50 Hình 4.3: Cấu trúc mặt trên của anten ban đầu....................................................... 50 Hình 4.4: Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS ................................................. 53 Hình 4.5: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten ........................................................ 53 Hình 4.6: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten .......................................... 54 Hình 4.7: Đồ thị bức xạ của anten.......................................................................... 54 Hình 4.8: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 ..................................................................... 55 Hình 4.9: Tỷ số sóng đứng (VSWR) ...................................................................... 55 Hình 4.10: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) .................................................................. 56 Hình 4.11: Phân bố dòng điện của anten 1 ............................................................. 56 Hình 4.12: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 45o ........................................... 57 Hình 4.13: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi không xoay dẫn nạp ...................................... 57 Hình 4.14: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi xoay dẫn nạp 90o ........................................... 58 Hình 4.15: Anten cắt khe cải thiện băng thông....................................................... 59 Hình 4.16: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten khi cắt khe .................................... 59 Hình 4.17: Đồ thị 3D thể hiện độ định hướng của anten khi cắt khe ...................... 60 Hình 4.18: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi cắt khe ................................................ 60 Hình 4.19: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten khi cắt khe .................................. 61 Hình 4.20: Tỷ số sóng đứng (VSWR) của anten khi cắt khe .................................. 61 Hình 4.21: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten khi cắt khe ................................ 62 HVTH: Võ Hồng Ngân vi Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh Hình 4.22: Phân bố dòng điện của anten khi cắt khe .............................................. 62 Hình 4.23: Đồ thị trường Eθ, Eϕ khi anten cắt khe ................................................. 63 Hình 4.24: Anten được cắt khe nhỏ ở ở ϕ = 135o ................................................... 63 Hình 4.25: Độ lợi của anten cắt khe nhỏ ................................................................ 64 Hình 4.26: Độ định hướng của anten cắt khe nhỏ .................................................. 64 Hình 4.27: Đồ thị bức xạ của anten cắt khe nhỏ ..................................................... 65 Hình 4.28: Hệ số phản xạ S11, S22, S33 của anten cắt khe nhỏ ................................. 65 Hình 4.29: Tỷ số sóng đứng của anten cắt khe nhỏ ................................................ 66 Hình 4.30: Hệ số cách ly (S21, S31, S32) của anten cắt khe nhỏ................................ 66 Hình 4.31: Phân bố dòng điện của anten cắt khe nhỏ ............................................. 67 Hình 4.32: Đồ thị trường Eθ, Eϕ của anten khi cắt khe nhỏ .................................... 67 Hình 4.33: Hình ảnh anten thực tế ......................................................................... 72 Hình 4.34: Đo đạc hệ số phản xạ S11...................................................................... 73 Hình 4.35: Đo đạc hệ số phản xạ S22...................................................................... 73 Hình 4.36: Đo đạc hệ số phản xạ S33...................................................................... 74 Hình 4.37: Đo đạc hệ số cách ly S21....................................................................... 74 Hình 4.38: Đo đạc hệ số cách ly S31....................................................................... 75 Hình 4.39: Đo đạc hệ số cách ly S32....................................................................... 75 Hình 4.40: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải tần 100 MHz – 8 GHz ........................................................................................... 76 Hình 4.41: So sánh anten chưa cải thiện băng thông và đã cải thiện băng thông dải tần 2-3GHz ............................................................................................................ 76 Hình 4.42: Đo anten lưỡng cực nửa sóng tại tần số 2.44 GHz ................................ 78 Hình 4.43: Đo anten vòng tại tần số 2.44 GHz ....................................................... 78 Hình 4.44: Access point WLAN dải tần 2.4 GHz với 3 anten toàn hướng .............. 79 Hình 4.45: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền thẳng LOS (Line-Of-Sight) ............................................................................................. 80 Hình 4.46: Kết quả đo cường độ tín hiệu WLAN trong môi trường truyền có che chắn NLOS (Non-Line-Of-Sight) .......................................................................... 80 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 81 HVTH: Võ Hồng Ngân vii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh DANH SÁCH BẢNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ............................................. 4 Bảng 2.1: Quy ước về các dải tần số ...................................................................... 23 CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI ............................................................................ 24 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC ............................................................. 49 Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi bán kính vòng............... 68 Bảng 4.2: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi độ dày của vòng anten .. 69 Bảng 4.3: Thống kê kết quả mô phỏng anten vòng khi thay đổi đường kính mặt phản xạ. ................................................................................................................. 70 Bảng 4.4: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách giữa tấm tấm bức xạ và mặt phản xạ. .......................................................................................... 70 Bảng 4.5: Thống kê kết quả mô phỏng anten khi thay đổi khoảng cách từ tâm đến từng anten vòng ..................................................................................................... 71 Bảng 4.6: Bảng so sánh cường độ của anten lưỡng cực nửa sóng và anten vòng .... 78 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 81 HVTH: Võ Hồng Ngân viii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh CÁC CHỮ VIẾT TẮT AP Access Point MIMO Multiple-Input Multiple-Output GSM Global System for Mobile communication DCS Digital Communication System PCS Personal Communication System UMTS Universal Mobile Telecommunication System CMPA Circular Microtrip Patch Antenna CMP Circular Microstrip Patch RF Radio Frequency VSWR Voltage Standing Wave Ratio SWR Standing Wave Ratio EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power CW Clockwise CCW Counterclockwise, HPBW Half-Power BeamWidth FNBW First Null BeamWidth BW Bandwidth FDTD Finite Diference Time Domain TEM Transverse Electric Magnetic MPA Microstrip Patch Antenna HVTH: Võ Hồng Ngân ix Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU  Phi  Theta E Biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m) H Biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m) E Điện trường theo phi E Điện trường theo theta ε Hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m) μ Hệ số từ thẩm của môi trường (H/m) σ Điện dẫn xuất của môi trường (Si/m) Je Biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( e Là mật độ khối của điện tích. ( λ Bước sóng [m] f Tần số tín hiệu [Hz] εeff Hằng số điện môi hiệu dụng v Vận tốc truyền sóng [m/s] A ) m2 C ) m3 c= 3.108 m/s Vận tốc ánh sáng Z0 Trở kháng đặc tính R0 Trở kháng đường dây truyền sóng ZL Trở kháng tải 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 Pt Công suất đi đến tải Pr Công suất phản xạ Vmax, Imax Điện áp và dòng điện cực đại không đổi trên đường dây Vmin, Imin Điện áp và dòng điện cực đại không đổi trên đường VSWR Tỷ số sóng đứng điện áp (Voltage Standing Wave Ratio) HVTH: Võ Hồng Ngân i Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh UA, IA Điện áp và dòng điện đặt vào anten ZA Trở kháng vào của anten IAe Dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten D Độ định hướng (directivity) D0 Độ định hướng cực đại (maximum directivity) U Cường độ bức xạ (radiation intensity) [W/Sr] Umax Cường độ bức xạ cực đại (maximum radiation intensity) [W/Sr] U0 Cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr] Prad Công suất bức xạ [W] G Độ lợi e Hiệu suất D Kích thước lớn nhất của anten Vector Poynting tức thời (W/m2) Cường độ điện trường tức thời (V/m) Cường độ từ trường tức thời (A/m) Tổng công suất tức thời (W) Vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt da Vi phân diện tích của bề mặt (m2) Wrad Là mật độ bức xạ (W/m2) EIRP Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent Isotropically Radiated Power) PT Công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten GT Hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính ep Hiệu suất phân cực anten e Hiệu suất bức xạ của anten er Hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa anten và đường dây truyền sóng) Zin Trở kháng vào của anten Z0 Trở kháng đặc tính của dây truyền sóng Exo và Eyo Biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục x và y. HVTH: Võ Hồng Ngân ii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh BW Băng thông của anten (Bandwidth) fmax, fmin, f0 Tần số cao nhất, tần số thấp nhất và tần số trung tâm của băng thông Δf Độ rộng băng f Tần số hoạt động h Độ dày điện môi r Hằng số điện môi của chất nền W Độ rộng của tấm tấm bức xạ eff Suy hao hốc cộng hưởng được tính toán bằng (effective loss tangent) QT Hệ số đặc tính tổng thể của anten Qd Hệ số đặc tính của chất điện môi 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 QC Hệ số đặc tính của chất dẫn PC Công suất tổn hao chất dẫn  Độ dày lớp da của dây dẫn Qr Mô tả đặc tính của sự bức xạ ae Là bán kính hiệu dụng của tấm tấm bức xạ [m] a Là bán kính của tấm tấm bức xạ [m] h Là độ dày của lớp điện môi [m] S11, S22, S33 Tổn hao phản xạ (Return Loss) S21, S31, S32 Cách ly giữa hai ngõ vào (Isolation between 2 ports) h1 Khoảng cách giữa tấm bức xạ và tấm phản xạ h2 Độ dày lớp điện môi HVTH: Võ Hồng Ngân iii Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh 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 HVTH: Võ Hồng Ngân 1 Báo cáo luận văn cao học CBHD: TS. Lương Vinh Quốc Danh 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 HVTH: Võ Hồng Ngân 2