TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Viện Điện tử-viễn thông BÁO CÁO Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN SHORT BACKFIRE HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ 2,44 GHz Giáo viên hướng dẫn : PGS-TS. Đào Ngọc Chiến Học viên thực hiện : Đào Văn Đã Lớp : 11BKTTT2 Hà Nội, tháng 05/2012 1 Mục lục 1.Giới thiệu 1.1 Tóm tắt 1.2 Đề xuất mô hình Anten 1.2.1 Tần số hoạt động và băng thông 1.2.2 Đặc tính bức xạ điện từ của anten 1.2.2 Dạng đ ồ thị bức xạ (Radiation pattern) 1.2.4 Vùng bức xạ của anten (field zones) 2. Phân tích và thiết kế Anten 2.1 Mô tả chi tiết mô hình anten 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Cấu tạo của anten short backfire cổ điển 2.1.3 Cơ sở để thiết kế anten 2.1.4 Độ lợi của anten short backfire 2.1.5 Half Power BeamWidth (HPBW) của anten short backfire 2.1.6 Mức búp sóng phụ của anten short backfire 2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán 2.2.1 Tính toán các thông số kĩ thuật cho anten 2.2.2 Phương pháp tiếp điện cho anten 2.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá anten 2.2.4 Tối ưu các thông số kĩ thuật cho anten 3. Thiết lập cho phần mềm mô phỏng ANSOFT HFSS 11.1 3.1. Các bước thiết kế cấu trúc anten 3.2. Kết quả mô phỏng 4. Kết luận 5. Tài liệu tham khảo [1] John D.Karaus & Ronald J. Marhefka, Antennas For All Application. Third Edition, 2002. [2] Constantine A.Balanis, Antenna Theory- Analysic and Design. Third Edition,2005. [3] Kyohei Fujimoto, Mobile Antenna System Handbook. Pages: 471-474. Third Edition, 2008. [4] Ths Đoàn Hoàn Minh & Ths Lương Vinh Quốc Danh, Bài giảng Anten & truyền sóng, Cần Thơ, 2004. [5] Luận văn tốt nghiệp, Lê Hoàng Thân, Thiết kế Patch Anten 2.4 GHz sử dụng trong WLAN, Cần Thơ, 2009. [6] Luận văn tốt nghiệp, Huỳnh Ngọc Tuấn, Thiết kế Patch Anten độ lợi cao dùng trong WLAN 2.4 GHz, Cần Thơ, 2009. [7] Luận văn tốt nghiệp, Phan Hữu Thạnh, Thiết kế Anten Yagi trên mạch in dùng cho WLAN 2.4 GHz, Cần Thơ, 2010. [8] User’s guide – Exemples, Ansoft Corporation, 2003. 2 1.Giới thiệu 1.1 Tóm tắt Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin và truyền số liệu vô tuyến đã và đang phát triển rất mạnh mẽ trên khắp thế giới. Nhiều công nghệ và thiết bị không dây mới và hiện đại hơn đã ra đời, trong số đó có một thiết bị quan trọng ra đời từ rất lâu và không thể thiếu trong bất kì hệ thống không dây nào, đó là anten. Anten hiện nay đa dạng về cấu trúc như anten dipole, anten patch, anten loa, các loại anten phản xạ…vv. Trong đó anten short backfire là một loại anten phản xạ có độ định hướng tốt và độ lợi rất cao, cấu trúc đơn giản, đã được phát triển từ những năm 1960 nhằm mục đích kết nối không dây điểm – điểm ở các khoảng cách xa. Bài tiểu luận này nghiên cứu và thiết kế nên một anten short backfire hoạt động ở dải tần 2.44 GHz. Một cải tiến quan trọng trong việc thiết kế nên anten này là phần tử feed dipole là loại anten dipole mạch dải được làm trên nền mạch in FR4 có hằng số điện môi 4.6 thay vì sử dụng lưỡng cực đồng. Để chế tạo được anten mong muốn, ta tiến hành tìm hiểu cơ sở, cấu trúc và kích thước anten. Sau đó mô phỏng trên phần mềm Ansoft HFSS và tiến hành thiết kế một anten thực. Cuối cùng ta tiến hành đo đạc các thông số, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực tế để đi đến thiết kế, chê tạo một anten tối ưu nhất. 1.2 Đề xuất mô hình Anten 1.2.1 Tần số hoạt động và băng thông Ngày nay việc phát triển ứng dụng các phương pháp xử lí tín hiệu cùng với những thành tựu đạt được trong lĩnh vực công nghệ vi điện tử và điện tử siêu cao tần cho phép thiết lập nên nhiều loại anten nhỏ gọn với độ lợi rất cao phù hợp với nhiều mục đích truyền nhận thông tin khác nhau. Việc nghiên cứu và chế tạo nên loại anten trên nền những tấm mạch in có thể được coi là bước phát triển trong những thập niên gần đây. Ngoài ra việc kết hợp giữa những anten đơn để tạo nên những loại anten mới đã đóng góp không nhỏ trong việc cải thiện chất lượng truyền nhận tín hiệu trong các hệ thống không dây, đặc biệt là ở các cự li xa. Trong bài tiểu luận này tập trung nghiên cứu và thiết kế nên một anten short backfire thật tối ưu với phần tử feed dipole là dạng anten dipole vi dải đã được cải tiến trên nền mạch in FR4 có hằng số điện môi 4.6 và độ dày 1.6 mm, cùng với mặt phản xạ bằng nhôm có kích thước thích hợp sử dụng cho dải tần 2.44GHz. Short backfire antenna có thể được coi là một dạng anten lí tưởng cho việc truyền nhận không dây ở cự li xa nhờ vào độ lợi cao và khả năng định hướng tốt. Anten short backfire là loại anten đã được nghiên cứu, chế tạo thành công và đưa vào sử dụng trên thế giới cho việc kết nối không dây point to point ở cự li xa. Tuy nhiên phần tử feed dipole thường được làm bằng lưỡng cực đồng, trong khi đó thiết kế phần tử feed dipole trên mạch in FR4 thì còn khá mới trên thế giới và ở Việt Nam. Bài tiểu luận là bước nghiên cứu tiếp theo trên cơ sở cải tiến loại anten dipole mạch dải (Printed dipole antenna) đơn giản trên nền mạch in FR4 đã được thiết kế thành công ở niên luận 2. Bài tiểu luận nghiên cứu cơ bản về anten short backfire, giới thiệu cấu trúc chung và những thuận lợi cũng như khó khăn của nó. Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, sau đó tiến hành thiết kế cấu trúc và mô phỏng để tối ưu các kích thước. Cuối cùng thiết kế nên một anten thực tế gồm có mặt phản xạ bằng nhôm và phần tử feed dipole được thiết kế trên nền mạch in FR4 hoạt động tốt ở tần số 2.44 GHz. Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS, sau đó tiến hành thiết kế cấu trúc 3D và mô phỏng trên phần mềm, thay đổi các kích thước sao cho đạt các yêu cầu đề ra và ghi nhận lại các kết quả mô phỏng. 1.2.2 Đặc tính bức xạ điện từ của anten Hình 1.2.1 chỉ ra đặc tính bức xạ điện từ của một anten. Một nguồn điện thế hình sin được đưa vào hai dây truyền sóng. Khi nguồn điện thế này tác dụng lên dây truyền sóng sẽ tạo ra một điện trường cũng có dạng hình sin, đồng thời hình thành nên lực điện từ vuông góc với dây truyền sóng. Những hạt electron tự do trên hai dây truyền sóng sẽ bị tác động bởi lực 3 điện từ và chuyển động có gia tốc tạo ra từ trường. Nhờ vào sự thay đổi của từ trường và điện trường mà sóng điện từ được tạo ra và truyền đi trên dây truyền sóng. Khi lan truyền đến anten, sóng điện từ này sẽ được anten phát ra ngoài không gian tự do. Hình 1.2.1 Bức xạ điện từ từ một anten Sóng điện từ tồn tại trong không gian sẽ được anten thu thu nhận và dẫn về dây truyền sóng đối với hệ thống thu. 1.2.2 Dạng đ ồ thị bức xạ (Radiation pattern) Đồ thị bức xạ của anten đặc trưng cho đặc tính bức xạ điện từ của anten trong không gian.Đồ thị bức xạ được định nghĩa như là một biểu thức toán học hay một đồ thị thể hiện khả năng bức xạ của anten trong hệ trục tọa độ không gian. Trong hầu hết trường hợp, đồ thị bức xạ được xác định trong miền viễn trường (far field) và được biểu diễn theo một hàm tọa độ phương hướng nhất định. Các đặc tính của đồ thị bức xạ gồm mật độ thông lượng công suất, độ mạnh của trường, cường độ bức xạ, độ định hướng, pha và sự phân cực. Hình 1.2.2 Đồ thị bức xạ 3D của một anten định hướng 1.2.4 Vùng bức xạ của anten (field zones) Không gian bao quanh một anten thường được chia thành ba vùng: vùng cận trường (Reactive Near Field Region), vùng bức xạ (Radiating Near Field Region), vùng viễn trường (FarField Region) 4 3 Hình 1.2.3 Vùng bức xạ của anten Vùng cận trường tập trung phần lớn năng lượng dao động tạo ra từ anten mang tính chất điện kháng, năng lượng sóng tỏa ra được giữ nguyên công suất và không có năng lượng tiêu tán. Giới hạn của vùng này thể hiện ở công thức (1). R 1 = 0.62 D λ (1) Với R 1 khoảng cách tính từ bề mặt anten. D: kích thước lớn nhất của anten. λ : là bước sóng tự do. Vùng bức xạ (còn gọi là Fresnel zone) là vùng giữa vùng cận trường và vùng viễn trường. Những cảm ứng của bức xạ yếu hơn, trường phân bố theo góc là một hàm của khoảng cách tính từ anten. Đường biên ngoài cùng cho vùng này là: R 2 = 2D 2 /λ (2) Với D> λ tiêu chuẩn này dựa trên sự sai pha cực đại π/8. Vùng trường này có đồ thị trường là một hàm của khoảng cách bán kính. Vùng viễn trường: Là vùng xa Anten nhất nhưng lại là vùng cần quan tâm nhất khi thiết kế Anten Trong vùng này dạng bức xạ của Anten được xác định mà không phụ thuộc vào khoảng cách tính từ Anten đường biên trong của vùng này là biên ngoài của vùng bức xạ. 2. Phân tích và thiết kế Anten 2.1 Mô tả chi tiết mô hình anten 2.1.1 Giới thiệu chung Short backfire antenna đã được Dr. Hermann W. Ehrenspeck phát minh ra vào năm 1960. Đây là loại anten định hướng, có độ lợi cao, búp sóng cạnh nhỏ, băng thông hẹp, kích thước nhỏ hơn so với anten parabol .Short backfire antenna thường được sử dụng trong kết nối điểm – điểm (point to point) và có thể truyền với khoảng cách rất xa. Anten này có thể kết nối 2 tòa nhà cách xa nhau mà không có vật cản nào giữa chúng hoặc có thể hướng trực tiếp vào nhau để xuyên qua vật cản. Ở những nơi việc lắp đặt mạng có dây khó khăn thì việc sử dụng anten short backfire để kết nối mạng là rất hiệu quả. Tuy nhiên loại anten này có búp sóng rất hẹp nên khi kết nối phải hướng trực tiếp vào nhau thì mới kết nối được. 5 Hình 2.1.1 Hình ảnh thực tế của một loại anten short backfire 2.1.2 Cấu tạo của anten short backfire cổ điển Anten short backfire cổ điển có cấu tạo gồm hai thành phần chính: + Reflector: gồm 2 mặt phản xạ bằng kim loại, mặt phản xạ chính có dạng hình đĩa hoặc chảo với đáy phẳng, đường kính đáy và chiều cao vành được tính toán tối ưu và thường được tính theo một tỉ lệ với bước sóng. Mặt phản xạ phụ tròn phẳng nằm phía trên lưỡng cực cách mặt phản xạ chính một khoảng cách nhất định (thường là 0.5 / λ ). định (thường là 0.5 / λ ). + Feed: dạng lưỡng cực bằng đồng hay bằng vật dẫn điện tốt đặt tại tiêu điểm của mặt phản xạ chính. Feed này được nối với thiết bị truyền và nhận tín hiệu RF thông qua đường dây truyền dẫn. Hình 2.1.2 Cấu trúc 3D của anten short backfire cổ điển 6 Hình 2.1.3 Mặt cắt 2D của anten short backfire cổ điển D l là đường kính của mặt phản xạ chính. H r chiều cao vành mặt phản xạ chính. D s đường kính của mặt phản xạ phụ. D d độ dài của lưỡng cực. H s khoảng cách giữa hai mặt phản xạ. H d khoảng cách giữa lưỡng cực và mặt phản xạ chính. 2.1.3 Cơ sở để thiết kế anten Anten được thiết kế một phần dựa trên mô hình anten short backfire đã được chế tạo và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới (hình 2.1.4), một phần trên cơ sở cải tiến loại anten dipole vi dải bằng cách thêm chấn tử để tăng độ lợi cũng như độ định hướng. 7 Hình 2.1.4 Cấu trúc anten short backfire Hình 2.1.5 Cấu trúc và thông số kĩ thuật của anten dipole mạch dải Hình 2.1.6 Hình ảnh thực tế của anten dipole mạch dải Trong hình 2.1.4 ta thấy anten short backfire đang sử dụng hiện nay cấu tạo gồm 2 mặt phản xạ đáy phẳng và một feed dipole đặt ở tâm của mặt phản xạ chính. Hình 2.1.5 là loại anten dipole được làm hoàn toàn trên mạch in FR4. Kết hợp 2 loại anten này để thiết kế nên loại anten short backfire cải tiến với phần tử feed dipole làm từ đồng sẽ được thay thế bởi feed dipole làm hoàn toàn trên nền mạch in FR4 có thêm chấn tử để đạt độ lợi cũng như đáp ứng đầy đủ đặc tính của một anten short backfire hoạt động tốt ở dải tần 2.44 GHz. 2.1.4 Độ lợi của anten short backfire Anten short backfire là loại anten được tác giả phát minh ra từ quá trình nghiên cứu thực nghiệm nên độ lợi cũng như các thông số cơ bản khác của anten được tác giả rút ra từ thực nghiệm. Độ lợi của anten short backfire dao động trong khoảng từ 12 dB đến 15 dB. Hình 2.16 cho ta thấy độ lợi của anten theo các giá trị khác nhau của D l và D s . Độ lợi cực đại của anten 8 khoảng 15 dB với D s có kích thước từ 0.5 λ đến 0.7 λ và D l khoảng 2.24 Hình 2.1.7 Đồ thị biểu diễn độ lợi của anten short backfire Các thông số D l , D s và H r là các thông số có ảnh hưởng rất lớn đến độ lợi của anten. Vì vậy khi thiết kế loại anten này ta cần tối ưu các thông số trên để đạt được độ lợi tốt nhất. 2.1.5 Half Power BeamWidth (HPBW) của anten short backfire Một thông số có ảnh hưởng rất lớn đến sự tăng giảm HPBW của anten đó là kích cỡ đường kính D s của mặt phản xạ phụ. Khi D s càng lớn thì HPBW càng nhỏ và ngược lại D s càng nhỏ thì HPBW càng lớn. Hình 2.1.8 cho ta thấy HPBW của anten với các giá trị khác nhau của D s. 9 Hình 2.1.8 Đồ thị thể hiện HPBW của anten 2.1.6 Mức búp sóng phụ của anten short backfire Anten short backfire thuộc loại anten phản xạ định hướng tốt nên việc hình thành các búp sóng phụ là điều không mong muốn. Tuy nhiên việc loại bỏ các búp sóng phụ là không thể mà chỉ có thể giảm đến mức nhỏ nhất. Hình 2.1.9 cho ta thấy mức búp sóng cạnh theo các giá trị khác nhau của chiều cao vành H r mặt phản xạ lớn. Ta có thể thấy rằng việc xác định chính xác kích thước H r là rất quan trọng, nó đóng vai trò quyết định trong việc giảm mức búp sóng phụ đặc biệt là búp sóng cạnh của anten short backfire. Hình 2.1.9 Mức búp sóng cạnh của anten 2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán 10 [...]... 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: - Tỷ số sóng đứng VSWR < 2 ở dải tần hoạt động - Tổn hao phản xạ S11 < -10 dB ở dải tần hoạt động - Độ lợi Gain > 13 dB - Tần số cộng hưởng: 2.44 GHz - Đồ thị bức xạ có búp sóng nhọn, định hướng tốt 2.2.4 Tối ưu các thông số kĩ thuật cho anten Từ các thông số. .. tính định hướng và giảm búp sóng cạnh cho anten nên việc tối ưu hai kích thước này là rất quan trọng Tóm lại đã mô phỏng theo lựa chọn, tính toán kích thước tối ưu để thiết kế và chế tạo ra anten short backfire hoạt động tốt ở dải tần số 2.44 GHz với độ lợi tương đối cao Tuy vậy cần tối ưu các thông số kĩ thuật của anten hơn nữa để anten cộng hưởng tốt nhất tại tần số 2.44 GHz Thiết kế feed dipole trên... kết quả đều đạt yêu cầu đề ra Anten hoạt động tốt ở dải tần từ 2.4 GHz đến 2.476 GHz, tốt nhất tại tần số 2.44 GHz Băng thông của anten khoảng 76 MHz rất hẹp so với các loại anten khác, tuy nhiên đây có thể coi là giá trị đặc thù của loại anten định hướng như short backfire Sau khi mô phỏng thành công ta tiến hành thiết kế anten thực tế và đo đạt các kết quả Tuy nhiên kết quả thực tế lại có sự sai... theo dB 19 Từ kết quả trên, ta thấy anten cộng hưởng tại tần số 2.44 GHz với Return Loss bằng -32.2 dB Kết quả này đã đáp ứng tốt yêu cầu đề ra  Tỉ số sóng đứng VSWR: Hình 3.1.7 Tỉ số sóng đứng của anten tính theo mag Tại tần số cộng hưởng 2.44 GHz, VSWR = 1.05, kết quả này cho thấy việc phối hợp trở kháng cho anten được thực hiện rất tốt Qua các kết quả mô phỏng trên, ta thấy hầu hết các kết quả đều... chiều cao vành mặt phản xạ 63 mm + Thông số kĩ thuật của feed dipole sau khi thay đổi có kích thước như hình 3.17 Hình 3.1.8 Thông số kĩ thuật feed dipole khi mô phỏng với hằng số điện môi 5.4 4 Kết luận Kết quả về độ lợi và tần số cộng hưởng thu được qua mô phỏng trên phần mềm Ansoft HFSS và khảo sát thực tế, về cơ bản có thể chế tạo được một anten có khả năng hoạt động tốt ở tần số 2.44 GHz Tuy nhiên... báo đây là mặt phản xạ của anten 3.2 Kết quả mô phỏng Sau khi đưa ra các thông số kĩ thuật tối ưu cho anten, ta tiến hành thiết kế và mô phỏng anten với các thông số đó trên phần mềm Ansoft HFSS 16 Hình 3.1.1 Anten được thiết kế trong Ansoft HFSS Các kết quả mô phỏng theo thông số kĩ thuật tối ưu của anten với feed dipole làm trên nền mạch in FR4 có hằng số điện môi 4.6 và độ dày 1.6 mm được thể hiện... hằng số điện môi thay đổi theo các giá trị tần số khác nhau, không có một giá trị cố định nên không thể đưa ra kết quả đồng nhất giữa mô phỏng và thực tế Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đề tài khi mô phỏng anten với các giá trị hằng số điện môi khác nhau thì thấy rằng: khi hằng số điện môi của lớp nền càng lớn thì tần số cộng hưởng càng nhỏ và ngược lại Để có thể thiết kế anten thực tế đạt tần số. .. mạch in FR4 có giá trị hằng số điện môi và độ dày không chính xác làm cho quá trình tối ưu anten gặp nhiều khó khăn, dẫn đến kết quả thực tế sẽ sai lệch về tần số cộng hưởng và độ lợi Việc chế tạo anten cần phải có độ chính sác cao mới đảm không sai lệch giữa mô phỏng và thi công thực tế Đối với anten short backfire thì kích thước đường kính và độ cao vành mặt phản xạ có ảnh hưởng rất lớn đến việc tăng... lệch so với mô phỏng Do chưa có đầy đủ thiết bị đo đạc cần thiết nên chỉ có thể thấy được khác biệt như sau: Độ lợi của anten khi đo đạt là khoảng 14 dB tại tần số 2.24 GHz, khoảng 13 dB tại tần số 2.44 GHz Điều này cho thấy tần số cộng hưởng của anten khi đo đạt là khoảng 2.24 GHz trong khi mô phỏng giá trị này là 2.44 GHz Sự sai lệch này được giải thích là do hằng số điện môi của lớp nền mạch in FR4... kế anten thực tế đạt tần số cộng hưởng tại 2.44 GHz ta thực hiện theo 2 phương pháp sau: Phương pháp thứ nhất: Giữ nguyên hằng số điện môi là 4.6 tối ưu lại các kích thước anten sao cho mô phỏng đạt tần số cộng hưởng 2.64 GHz để khi thiết kế thực tế nó dịch xuống 2.44 GHz Tuy nhiên phương pháp này việc dịch tần số cộng hưởng một cách tuyến tính là không hợp lí, cho kết quả không đạt yêu cầu, vì vậy . NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Viện Điện tử-viễn thông BÁO CÁO Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN SHORT BACKFIRE HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ 2,44 GHz Giáo viên hướng dẫn : PGS-TS. Đào Ngọc Chiến Học viên thực. đích kết nối không dây điểm – điểm ở các khoảng cách xa. Bài tiểu luận này nghiên cứu và thiết kế nên một anten short backfire hoạt động ở dải tần . một anten short backfire hoạt động tốt ở dải tần 2.44 GHz. 2.1.4 Độ lợi của anten short backfire Anten short backfire là loại anten được tác giả