BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG VĂN TÂM THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz S K C 0 9 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh,tháng năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG VĂN TÂM THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG VĂN TÂM THIẾT KẾ PATCH ANTEN CHỮ E PHÂN CỰC TRÒN CHO ỨNG DỤNG WLAN 2.4 GHz NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: TS LƯƠNG VINH QUỐC DANH Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2013 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Hồng Văn Tâm Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1978 Giới tính: Nam Nơi sinh: Cần Thơ Quê quán: Kiên Giang Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 160B4/15, Khu vực I, Phường An Khánh, Quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ Điện thoại quan: 0710.3893488 Fax: 0710.3896097 Điện thoại nhà riêng: 0710.3899990 E-mail: tam78_cto@yahoo.com.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 1998 đến 2003 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đa ̣i Ho ̣c Giao Thông Vận Tải sở 2, TP HCM Ngành học: Kỹ thuật Viễn Thông Tên đồ án, luận án tốt nghiệp: Các tổng đài đa dịch vụ mạng hệ sau (NGN) Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: ngày 27/05/2003 Trường Đa ̣i Ho ̣c Giao Thông Vận Tải sở Người hướng dẫn: Ths Nguyễn Quang Thịnh III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 2003÷2008 Công ty Viễn Thông Cần Thơ-Hậu Giang Nhân viên kỹ thuật 2008÷2010 Chi nhánh Mobitechs Cần Thơ Trưởng phòng kỹ thuật 2010÷nay Trung tâm Vinaphone Nhân viên kỹ thuật Trang i Công việc đảm nhiệm Các công trình nghiên cứu khoa học, báo: "A Circularly Polarized E-Shaped Patch Antenna with Improved Bandwidth for 2.4-GHz WLAN Applications" đăng Kỷ yếu Hội thảo NTUST ĐH Cần Thơ vào ngày 28-29 /10/2013 Kỷ yếu Hội nghị NAFOSTED lần thứ Khoa học Thông tin Máy tính (NICS'14) vào ngày 13-14 /03/2014 Trang ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) Hồng Văn Tâm Trang iii LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin đươ ̣c gửi lời cảm ơn đế n Ban Giám Hiê ̣u , Thầy , Cô khoa Điê ̣n -Điê ̣n Tử trường Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Thành Phố Hồ Chí Minh, đã tâ ̣n tình dạy , truyề n đa ̣t kiế n thức tạo điều kiện thuận lợi cho em suố t quá trình ho ̣c tâ ̣p vừa qua Đặc biệt em xin chân thành gửi đến Thầy Ts.Lƣơng Vinh Quố c Danh lời cảm ơn sâu sắc Trong thời gian thực hiê ̣n đề tà i Thầ y đã quan tâm theo dõi , tâ ̣n tình hướng dẫn và đô ̣ng viên để em hoàn thành tố t luâ ̣n văn này Em xin gửi lời cảm ơn đế n các ba ̣n ho ̣c viên cùng lớp đã nhiê ̣t tin ̀ h hổ trơ ̣ về vâ ̣t chấ t cũng những lời góp ý đô ̣ng viên để em hoàn thành luâ ̣n văn này TP Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014 Học viên Hồng Văn Tâm Trang iv TÓM TẮT Luận văn trình bày thiết kế patch anten vi dải phân cực tròn cấ p nguồ n đơn băng rộng cho ứng du ̣ng WLAN 2.4GHz Patch anten đề xuất cải thiện cho patch anten chữ E phân cực tròn thông thường, thực cách chèn thêm khe song song, khe nằm cạnh đối diện patch chữ E Mục tiêu thiết kế cải thiện thông số: suy hao phản xạ, VSWR, băng thông hoạt động băng thông phân cực tròn anten Các thông số anten tối ưu để đạt patch anten phân cực tròn dải tần WLAN 2.4GHz, độ lợi cực đại anten đạt 9.7dB, băng thông hoạt động đạt 28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz), băng thông phân cực tròn đạt 4.1% (2.3885 ÷ 2.4885 GHz) Anten đươ ̣c thiế t kế và mô phỏng phầ n mề m Ansoft HFSS v 13 Sau đó chế ta ̣o anten và đo thông số thực tế bằ ng máy Anritsu S 331D Kết mô đo đạc phù hợp Anten đề xuất sử dụng cho APs băng tần WLAN 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g IEEE ứng dụng cho WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz Để kiểm tra hiệu anten ứng dụng thực tế, anten thiết kế kết nối với APs 2.4GHz Việc đo kiểm tiến hành điều kiện fading yếu fading mạnh Kết đo kiểm cho thấy, tín hiệu thu từ anten đề xuất tốt nhiều so với anten toàn hướng dBi Trang v ABSTRACT This thesis presents the design of a circularly polarized probe-fed singlelayer wide-band microstrip-patch antenna used for 2.4 GHz WLAN applications The proposed antenna is a improved form of the conventional circularly polarized E-shaped patch antenna This model is modified with further improvements by incorporating two more equal-parallel slots and a single slot in the center of the opposite edges of the E-shaped patch The main objective of the design are considered to achieve improved return loss, VSWR characteristics, effective impedance bandwidth and axial-ratio bandwidth The antenna parameters are optimized to have a circularly polarized antenna at WLAN 2.4GHz band, 9.7-dB peak gain, and a 28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz) impedance bandwidth and a 4.1% (2.3885 ÷ 2.4885 GHz) axial-ratio bandwidth The antenna was designed and simulated using the Ansoft HFSS V13 software The measurement of return loss of the antenna were performed by using the Anritsu SiteMaster S331D The simulation results show good agreement with the measurement The proposed antenna can be used for 2.4 GHz wireless access points (APs), following the suggested procedure for the IEEE 802.11 b/g WLAN band, and 2.3-2.7 GHz WiMAX applications In order to verify the antenna performance in practical applications, the designed antenna was connected to the antenna connector of a 2.4-GHz WLAN access point serving as a transmitter, and the measurements were carried out under line-of-sight and non-line-of-sight condition The measurement results show that the proposed antenna greatly improves WLAN signal reception compared to that of the 2-dBi omnidirectional one Trang vi MỤC LỤC Trang Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách các ký hiê ̣u xi Danh sách các hình xvii Danh sách các bảng xx Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ ng quan chung về liñ h vực nghiên cứu 1.2 Các kết nghiên cứu công bố 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiê ̣m vu ̣ và giới ̣n của đề tài 10 1.4.1 Nhiê ̣m vu ̣ của đề tài 10 1.4.2 Giới ̣n của đề tài 10 1.5 Phương pháp nghiên cứu 10 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Các thông số anten 11 2.1.1 Trở kháng vào 11 2.1.2 Băng thông 12 2.1.3 Độ rộng búp sóng 14 2.1.4 Hệ số định hướng 14 2.1.5 Độ lơ ̣i 15 2.1.6 Suy hao phản xa ̣, tỉ số điện sóng đứng 16 Trang vii Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz  Đồ thị xạ (Radiation Pattern): Hình 3.43 Đồ thị xạ anten chữ E phân cực tròn cải tiến Từ đồ thi ̣bức xa ̣ ta thấ y góc phát anten đô ̣ lơ ̣i giảm -3dB đạt khoảng 600, anten có tiń h đinh ̣ hướng tốt  S-parameters (Hê ̣ số phản xa ̣ S 11): Hình 3.44 Hê ̣ số phản xa ̣ S 11 anten chữ E phân cực tròn cải tiến Trang 80 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Từ đồ thi ̣ta thấ y tham số S11 tần số cộng hưởng 2.44GHz -29.71dB tương đối tố t, băng thông ta ̣i S11 = -10dB khoảng 686.9MHz đa ̣t 28.15%  Tỷ số sóng đứng (VSWR): Hình 3.45 Tỷ số sóng đứng anten chữ E phân cực tròn cải tiến ngõ vào Ta thấ y ta ̣i tầ n số 2.44GHz, tỷ số sóng đứng (VSWR) 1.0676 đa ̣t yêu cầ u thiế t kế VSWR < 2, băng thông ta ̣i VSWR < đa ̣t khoảng 28.73%  Tỷ số phân cực AR (Axial ratio) Hình 3.46 Tỷ số phân cực anten chữ E phân cực tròn   00 ,   900 Ta thấy anten chữ E thiết kế có tỷ số AR = 2.633dB < 3dB tần số trung tâm 2.44GHz, anten đạt phân cực tròn dải tần hoạt động WLAN 2.4GHz (2.4GHz ÷ 2.483GHz), băng thông theo AR đạt 4.1% Trang 81 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz  LHCP/RHCP: Hình 3.47 Phân cực tròn bên trái/phân cực tròn bên phải (LHCP/RHCP) anten chữ E phân cực tròn Kết mô cho thấy anten có hướng phân cực tròn bên phải RHCP  Phân bố dòng điện anten: Hình 3.48 Phân bố dòng điện anten chữ E phân cực tròn cải tiến Trang 82 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz  So sánh S11 anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến: Hình 3.49 So sánh S11 anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến  So sánh S11 anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến: Hình 3.50 So sánh VSWR anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến Trang 83 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz  So sánh tỷ số AR anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến: Hình 3.51 So sánh tỷ số AR anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến Qua kết mô phỏng, ta thấy anten chữ E phân cực tròn cải tiến đạt tiêu S11, VSWR, có độ định hướng tốt, độ lợi cao, phân bố dòng điện đều, đặc biệt cải thiện thông số: suy hao phản xạ, VSWR, băng thông hoạt động băng thông phân cực tròn so với anten chữ E phân cực tròn truyền thống Trang 84 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Bảng 3.5 So sánh kết mô anten chữ E phân cực tròn truyền thống anten chữ E phân cực tròn cải tiến Thông số Anten chữ E phân cực tròn truyền thống Anten chữ E phân cực tròn cải tiến Kích thước (W, L, h) (77, 47.5, 10) mm (77, 47.5, 10) mm Độ lợi 9.7dB 9.7dB Độ rộng búp sóng khoảng 600, định hướng tốt Khoảng 600, định hướng tốt Băng thông theo S11 527.4MHz đa ̣t 21.62% 686.9MHz đa ̣t 28.15% Băng thông theo VSWR 546.1MHz đạt 22.34% 701.2MHz đạt 28.73% Băng thông phân cực tròn 65.1MHz đạt 2.72% 100MHz đạt 4.1% S11; VSWR tần số trung tâm 2.44GHz -17.06dB ; 1.33 - 29.71dB ; 1.06 Phân bố dòng điện Tương đối Tương đối Trang 85 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Chƣơng THI CÔNG VÀ ĐO ĐẠC ANTEN 4.1 Thi công và đo đạc anten thực tế Sau thiết kế mô anten phầ n mề m HFSS để có thông số tố i ưu anten, ta tiế n hành thi công anten thực tế Anten đươ ̣c đo bằ ng máy đo chuyên dụng Anritsu SiteMaster S 331D Hình 4.1 Máy đo Anritsu SiteMaster S331D  Hình ảnh anten thực tế thi công Hình 4.2 Mặt anten thực tế Trang 86 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Hình 4.3 Mặt anten thực tế  Kế t quả mô phỏng và đo đa ̣c S11 thực tế Hình 4.4 Hê ̣ số phản xạ S11 anten Trang 87 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz 4.2 Đo cƣờng đô ̣ sóng bằ ng phầ n mề m Netstumbler [16] Proposed antenna 2-dB Ommi antenna Hình 4.5 Kết đo cường độ tín hiệu WLAN môi trường fading yếu Proposed antenna 2-dB Ommi antenna Hình 4.6 Kết đo cường độ tín hiệu WLAN môi trường fading mạnh Phần mềm Netstumbler [16] cài đặt máy tính xách tay sử dụng đo đạc Để kiểm nghiệm thực tế độ lợi, anten gắn vào access point WLAN (Access point DIR-600) dải tần 2,4 GHz, chuẩn N, anten omi gắn sử dụng cổng SMA độ lợi 2dBi Kết đo đạc cường độ trung bình tín hiệu RF thu môi trường có fading yếu anten đề xuất anten toàn hướng –49dBm –57dBm (Hình 4.5), môi trường có fading mạnh anten đề xuất anten toàn hướng –70dBm –78dBm (Hình 4.6) Trang 88 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Kết mô thông số S11 phù hợp với số liệu đo đạc thực tế Kết đo đạc thực nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu WLAN thu anten chữ E phân cực tròn cải tiến cao 8dB so với trường hợp sử dụng anten toàn hướng độ lợi 2dBi Như vậy, kết luận anten thiết kế có độ lợi đạt yêu cầu đặt ban đầu Trang 89 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Chƣơng KẾT LUẬN 5.1 Kế t luâ ̣n Patch anten chữ E phân cực tròn cấp nguồn đơn cải tiến thành công cho ứng dụng WLAN 2.4GHz, khoảng không có hằ ng số điê ̣n môi εr ≈ 1, chiều cao h = 10mm, anten đươ ̣c cấ p nguồ n cáp đồng trục RG-58, trở kháng đặc tính 50 Ohm So với anten chữ E phân cực tròn truyền thống, anten đề xuất cải thiện thông số: suy hao phản xạ, VSWR, băng thông hoạt động băng thông phân cực tròn anten Các thông số anten tối ưu để đạt patch anten phân cực tròn dải tần WLAN 2.4GHz, độ lợi anten đạt 9.7dBm, băng thông hoạt động đạt 28.15% (2.2496 ÷ 2.9365 Ghz), băng thông phân cực tròn đạt 4.1% (2.3885 ÷ 2.4885 GHz) Kết mô đo đạc phù hợp Anten đề xuất sử dụng hiệu (đạt phân cực tròn, độ lợi cao) cho APs băng tần WLAN 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g IEEE ứng dụng cho hệ thống vô tuyến khác như: WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz,… Để kiểm tra hiệu suất anten ứng dụng thực tế, anten thiết kế kết nối với APs 2.4GHz Việc đo kiểm tiến hành điều kiện fading yếu fading mạnh Kết đo kiểm cho thấy, tín hiệu thu từ anten đề xuất cao 8dB so với anten toàn hướng 2dBi 5.2 Kiế n nghi ̣ - Các thông số của anten đa ̣t các yêu cầ u về thiế t kế anten chưa đạt hiệu cao nhất, đặt biệt băng thông phân cực tròn thấp Do đó ta có thể tiếp tục tố i ưu để cải thiê ̣n các thông số anten nâng cao băng thông phân cực tròn cho anten Trang 90 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz - Tiếp tục tố i ưu để kích thước của anten nhỏ go ̣n để phù hơ ̣p với các thiế t bi ̣di đô ̣ng - Tiếp tục triển khai mô hình anten lớp khác như: FR4, Trang 91 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT GS TSKH Phan Anh, Lý Thuyết Và Kỹ Thuật Anten , nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2007 Võ Ngọc Lợi , TS Lương Vinh Quố c Danh , Thiế t kế anten vi dải phân cực tròn cho ứng dụng WLAN dải tầ n 2.4 GHz, LVTS, Trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, tháng 12/2012 Nguyễn Phúc Trường , TS Lương Vinh Quố c Danh , Thiết kế anten vi dải phân cực tròn cấ p nguồ n đơn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz, LVTS, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, tháng 09/2013 Văn Minh Phương, Phạm Thành Công, Advantech, Jsc, Thiết kế anten vi dải cho ứng dụng GNSS, tháng 03/2012 TIẾNG NƢỚC NGOÀ I Constantine A Balanis, Antenna Theory Analysis And Design, third edition, Copyright 2005 John Wiley & Sons, Inc R Garg, P Bhartia, I Bahl, and A Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Handbook", Artech House, 2001 Kai Chang, RF and Microwave Wireless Systems, Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Inc Kin-Lu Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, Copyrightc © 2002 John Wiley & Sons, Inc Ahmed Khidre, Kai Fang Lee, Fan Yang, and Atef Eisherbeni, Wideband Circularly Polarized E-Shaped Patch Antenna for Wireless Applications, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol 52, No.5, October 2010 10.Oluyemi P Falade, Student Member, IEEE, Masood Ur Rehman, Member, IEEE, Yue (Frank) Gao, Member, IEEE, Xiaodong Chen, Senior Member, IEEE, and Clive G Parini, Member, IEEE, Single Feed Stacked Patch Circular Trang 92 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh Thiết kế patch anten chữ E phân cực tròn cho ứng dụng WLAN 2.4 GHz Polarized Antenna for Triple Band GPS Receivers, IEEE transactions on antennas and propagation, vol 60, no 10, october 2012 11.Wang-Ta Hsieh, Tze-Hsuan Chang, and Jean-Fu Kiang, Dual-Band Circularly Polarized Cavity-Backed Annular Slot Antenna for GPS Receiver, IEEE transactions on antennas and propagation, vol 60, no 4, april 2012 12.Nasimuddin, Zhi Ning Chen, and Xianming Qing, Dual-Band Circularly Polarized S-Shaped Slotted Patch Antenna With a Small Frequency-Ratio, IEEE transactions on antennas and propagation, vol 58, no 6, june 2010 13.Abhilasha Mishra, Ganesh B Janvale, Bhausaheb Vyankatrao Pawar, Pradeep Mitharam Patil, The Design of Circular Microstrip Patch Antenna by Using Quasi-Newton Algorithm of ANN, J Electromagnetic Analysis & Applications, 2010 14.B.-K Ang and B.-K Chung, A Wideband E-Shaped microstrip patch antenna for 5–6 GHz wireless communications, Progress In Electromagnetics Research, PIER 75, 397–407, 2007 15.Ansys HFSS software URL: http://www.ansys.com 16.Netstumbler software URL: http://www.netstumbler.com/downloads 17.http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/img_up/pal_polarization.htm Trang 93 HVTH: Hồng Văn Tâm GVHD: Ts Lương Vinh Quốc Danh