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


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


(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


2.2.3

Tiêu

chuẩn

đánh

giá

anten
2.2.4

Tối

ưu

các

thông

số

kĩ

thuật

cho

anten

Marhefka,

Antennas

For

All

Application.

Third

Edition,
2002.
[2]

Constantine

A.Balanis,

Antenna

Theory-

Analysic

and

Design.



Hoàn

Minh

&

Ths

Lương

Vinh

Quốc

Danh,

Bài

giảng

Anten

&

truyền

sóng,

Cần


sử

dụng trong

WLAN,
Cần

Thơ,

2009.
[6]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Huỳnh

Ngọc

Tuấn,

Thiết

kế


nghiệp,

Phan

Hữu

Thạnh,

Thiết

kế

Anten

Yagi

trên

mạch

in

dùng cho

WLAN
2.4

GHz,



đây,

kỹ

thuật

thông

tin

và

truyền

số

liệu

vô

tuyến

đã

và đang
phát

triển



hiện

đại

hơn

đã

ra

đời,

trong

số

đó

có

một

thiết

bị

quan

trọng

dây

nào,

đó

là anten.

Anten

hiện

nay

đa

dạng

về

cấu
trúc

như

anten

dipole,

anten

anten phản

xạ

có

độ

định

hướng

tốt

và

độ

lợi

rất

cao,

cấu

trúc
đơn

giản,


–
điểm

ở

các khoảng

cách

xa.

Bài tiểu luận

này

nghiên

cứu

và

thiết

kế

nên

một



thiết

kế

nên
anten

này

là

phần

tử

feed

dipole

là

loại

anten

dipole

mạch



dụng

lưỡng

cực

đồng.
Để

chế

tạo

được

anten

mong

muốn,

ta

tiến

hành

tìm



HFSS

và

tiến hành

thiết

kế

một

anten
thực.

Cuối

cùng

ta

tiến

hành

đo

đạc



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



công

nghệ

vi

điện

tử

và

điện

tử

siêu

cao tần

cho

phép

thiết
lập

nên


truyền

nhận
thông

tin

khác

nhau.

Việc

nghiên

cứu

và

chế

tạo

nên loại

anten

trên

nền

gần

đây.

Ngoài

ra

việc

kết

hợp

giữa
những

anten

đơn

để

tạo

nên những

loại

anten

trong

các

hệ

thống

không

dây,

đặc

biệt

là

ở

các

cự

li

xa.
Trong

bài tiểu luận

với

phần

tử

feed

dipole

là

dạng

anten

dipole

vi

dải

đã

được cải

tiến

trên



mặt

phản

xạ

bằng

nhôm
có

kích

thước

thích

hợp

sử

dụng

cho

dải

tần



nhận

không

dây

ở

cự

li

xa

nhờ

vào

độ

lợi

cao

và

khả

năng

thành

công

và đưa

vào

sử

dụng
trên

thế

giới

cho

việc

kết

nối

không

dây

point

lưỡng

cực

đồng,

trong

khi

đó

thiết

kế

phần

tử

feed

dipole

trên
mạch

in

FR4


cứu
tiếp

theo

trên

cơ

sở

cải

tiến

loại

anten dipole

mạch

dải

(Printed

dipole

antenna)


Bài tiểu luận

nghiên

cứu

cơ

bản

về

anten

short

backfire,

giới

thiệu

cấu trúc

chung

và
những

thuận

hành

thiết

kế

cấu

trúc

và

mô

phỏng

để

tối

ưu

các

kích thước.

Cuối

cùng



tử

feed

dipole

được

thiết

kế

trên

nền
mạch

in

FR4

hoạt

động

tốt

ở



phỏng

Ansoft HFSS,

sau
đó

tiến

hành

thiết

kế

cấu

trúc

3D

và

mô

phỏng

trên



nhận

lại

các

kết

quả

mô phỏng.

1.2.2

Đặc

tính

bức

xạ

điện

từ

của

anten

điện

thế hình

sin

được
đưa

vào

hai

dây

truyền

sóng.

Khi

nguồn

điện

thế

này

tác

đồng

thời

hình
thành

nên

lực

điện

từ

vuông

góc

với
dây

truyền

sóng.

Những

hạt


từ

và

chuyển

động

có

gia

tốc tạo

ra

từ

trường.

Nhờ

vào

sự

thay

đổi



trên

dây

truyền

sóng.

Khi

lan

truyền

đến
anten,

sóng

điện

từ

này

sẽ

được



anten
Sóng

điện

từ

tồn

tại

trong

không

gian

sẽ

được

anten

thu

thu

nhận


(Radiation

pattern)
Đồ

thị

bức

xạ

của

anten

đặc

trưng

cho

đặc

tính

bức

xạ

điện

thức

toán

học

hay

một

đồ

thị thể

hiện
khả

năng

bức

xạ

của

anten

trong

hệ

định

trong

miền

viễn

trường

(far

field)

và được

biểu

diễn

theo

một

hàm

tọa
độ

phương


lượng

công
suất,

độ

mạnh

của

trường,

cường

độ

bức

xạ,

độ

định

hướng,

pha


Vùng

bức

xạ

của

anten

(field

zones)
Không

gian

bao

quanh

một

anten

thường

được

chia

Field

Region),

vùng

viễn
trường

(FarField

Region)
4
3
Hình

1.2.3

Vùng

bức

xạ

của

anten
Vùng

cận


điện

kháng,

năng

lượng

sóng

tỏa

ra

được

giữ

nguyên

công

suất

và

không

có

R
1

=

0.62

D

λ
(1)
Với

R
1

khoảng

cách

tính

từ

bề

mặt

anten.
D:


gọi

là

Fresnel

zone)

là

vùng

giữa

vùng

cận

trường

và

vùng viễn

trường.

Những

cảm


khoảng

cách

tính

từ

anten.

Đường

biên

ngoài

cùng

cho

vùng

này

là:
R
2
= 2D
2

W.

Ehrenspeck

phát

minh

ra

vào năm
1960.

Đây

là

loại

anten

định

hướng,

có

độ

lợi

.Short

backfire

antenna

thường

được

sử

dụng

trong

kết

nối
điểm

–

điểm

(point

to

point)

2

tòa nhà

cách

xa

nhau

mà

không

có

vật

cản

nào

giữa

chúng

hoặc

có



đặt

mạng

có

dây

khó khăn

thì
việc

sử

dụng

anten

short

backfire

để

kết

nối



kết

nối

phải

hướng

trực

tiếp

vào nhau

thì

mới

kết

nối

được.
5
Hình

2.1.1

Hình

backfire

cổ

điển
Anten

short

backfire

cổ

điển

có

cấu

tạo

gồm

hai

thành

phần

chính:

dạng

hình

đĩa

hoặc

chảo

với
đáy

phẳng,

đường

kính

đáy

và

chiều

cao

vành

được

Mặt

phản

xạ

phụ

tròn phẳng

nằm

phía

trên

lưỡng

cực

cách

mặt

phản

xạ

chính


+

Feed:

dạng

lưỡng

cực

bằng

đồng

hay

bằng

vật

dẫn

điện

tốt

đặt

tại



nhận

tín

hiệu

RF

thông

qua

đường

dây

truyền
dẫn.
Hình

2.1.2

Cấu

trúc

3D

của


điển
D
l

là

đường

kính

của

mặt

phản

xạ

chính.
H
r

chiều

cao

vành

mặt


lưỡng

cực.
H
s

khoảng

cách

giữa

hai

mặt

phản

xạ.
H
d

khoảng

cách

giữa

lưỡng


kế

một

phần

dựa

trên

mô

hình

anten

short

backfire

đã

được chế

tạo
và

đưa


tiến

loại
anten

dipole

vi

dải

bằng

cách

thêm

chấn

tử

để

tăng

độ

lợi

cũng


và

thông

số

kĩ

thuật

của

anten

dipole

mạch

dải
Hình

2.1.6

Hình

ảnh

thực



dụng

hiện

nay

cấu

tạo

gồm

2

mặt

phản

xạ

đáy

phẳng

và

một

feed


làm

hoàn

toàn

trên

mạch

in

FR4.

Kết

hợp

2 loại

anten

này

để

thiết

kế


được

thay

thế

bởi

feed

dipole

làm

hoàn

toàn

trên

nền

mạch

in

FR4

có


của

một

anten

short

backfire

hoạt

động

tốt

ở

dải

tần

2.44

GHz.
2.1.4

Độ



ra

từ

quá

trình

nghiên

cứu

thực
nghiệm

nên

độ

lợi

cũng

như

các

thông


của

anten

short

backfire

dao

động

trong

khoảng

từ

12

dB

đến

15

dB. Hình

2.16
cho

và

D
s
.

Độ

lợi

cực

đại

của

anten
8
khoảng

15

dB

với

D
s

có

thị

biểu

diễn

độ

lợi

của

anten

short

backfire
Các

thông

số

D
l
,

D
s



Vì

vậy
khi

thiết

kế

loại

anten

này

ta

cần

tối

ưu

các

thông

số


Một

thông

số

có

ảnh

hưởng

rất

lớn

đến

sự

tăng

giảm

HPBW

của

anten



thì

HPBW

càng nhỏ

và

ngược

lại

D
s
càng

nhỏ

thì

HPBW

càng

lớn.

Hình

2.1.8


2.1.8

Đồ

thị

thể

hiện

HPBW

của

anten
2.1.6

Mức

búp

sóng

phụ

của

anten


các

búp

sóng

phụ

là

điều

không

mong

muốn.

Tuy

nhiên

việc

loại

bỏ

các búp



cho ta

thấy

mức

búp

sóng

cạnh
theo

các

giá

trị

khác

nhau

của

chiều

cao


kích

thước

H
r

là

rất quan

trọng,

nó

đóng

vai

trò

quyết

định

trong

việc
giảm



Mức

búp

sóng

cạnh

của

anten
2.2 Thiết lập phần mềm cho tính toán
10
2.2.1

Tính

toán

các

thông

số

kĩ

thuật



anten

chỉ

mang tính
chất

ước

lượng,

mục

đích

là

để

làm

cơ

sở

xây

dựng



thông

số

tối

ưu

bằng

cách

mô

phỏng trên

phần

mềm

Ansoft
HFSS.
Hình

2.2.1

Cấu

trúc

sau:
Tần

số

hoạt

động

của

anten

f
0

=

2.44

GHz. Mạch

inFR4

với:
-

Hằng

số


Suy

hao

điện

môi

0.022
Ta

chọn

độ

rộng

dải

dẫn

của

feed

dipole

là


Và cách arm dipole khoảng cách λ/4 ta chọn chấn tử 2 có độ rộng 6mm và độ dài 2L
d
= 32mm
cách chấn tử 1 là 4 mm, đối với mặt phản xạ ta chọn đường kính 4λ vành mặt phản xạ cao λ/2
Các

thông

số

kĩ

thuật

khác

ta

sẽ

chọn

giá

trị

phù

hợp



anten
Khi

thiết

kế

anten

thì

phương

pháp

tiếp

điện

cần

được

chọn

lựa

một



feeder.

Đối

với anten

đang

thiết
kế

thì

feed

dipole

làm

trên

mạch

in

nên

các


pháp

được

chọn

là tiếp

điện

bằng

đường

vi

dải,

đây

là
phương

pháp

đơn

giản

và

đánh

giá

anten
Khi

thiết

kế

anten

ta

phải

chú

ý

đến

các

thông

số

như


thị

bức

xạ

của

anten.

Để

đánh

giá một

anten

ta

phải

dựa

vào

các

thông


số

sóng

đứng

VSWR

<

2

ở

dải

tần

hoạt

động.
-
Tổn

hao

phản

xạ

-
Tần

số

cộng

hưởng:

2.44

GHz.
-
Đồ

thị

bức

xạ

có

búp

sóng

nhọn,

định


đã

tính

toán

trước

đó,

ta

dùng

phần

mềm

Ansoft

HFSS

để
thiết

kế

và


cách
thay

đổi

lần

lượt

từng

thông

số.

Sau

nhiều

lần

mô

phỏng

các

thông

số được


mặt

phản

xạ

63

mm.
+

Các

thông

số

kĩ

thuật

của

feed

dipole

như



HFSS

và

chọn

File/New

để

tạo

Project

mới
12
Hình

P.1

Giao

diện

trong

Ansoft

HFSS


Vẽ

lớp

mạch

in:


Chọn

Draw/Box

hay

sử

dụng

trên

thanh

công

cụ.

Sau



độ

các

khối

cần

vẽ


Ở

các

ô

X,

Y,

Z

ta

lần

lượt


nhấn

Enter.

Ta

sẽ

nhập

tiếp

vào

các

ô

dX,

dY,

dZ

là

các

kích


bảng

1
X Y Z dX dY dZ
-0.8 -10 0 1.6 20 24.5
13
-0.8 -24.25 24.5 1.6 48.5 42.5
Bảng

1.

Kích

thước

của

lớp

mạch

in
Sau

khi

tạo

xong



in

cho

anten


Tiếp

theo

ta

chọn

cả

2

khối,vào

Modeler/Boolean/Unite

để

nhóm

2



thể

chọn

trên

thanh

công

cụ

hay

ta

có

thể

R-click

trên

khối

và

chọn


hộp

thoại

Properties

để

thay

đổi

lại

nếu cần.
+

Vẽ

microstrip

line,

ground

plane

và


là

độ

dày

của

lớp

đồng

phủ

trên

mạch

in.

Các

giá

trị được

thể

hiện



microstrip

line
X
Y
Z
dX
dY
dZ
-0.8
-7.5
0
-0.05
15
10
-0.8
0.5
10
-0.05
5
16
-0.8
-5.5
10
-0.05
5
16
-0.8
1.5

-20.75
61
-0.05
41.5
6
Bảng

3.

Kích

thước

của

ground

plane

và

chấn

tử
Sau

khi

vẽ


theo

ta
chọn

vật

liệu

cho

khối

này

là

Copper.

Ta

có

thể

vào

hộp

thoại Properties

như

hình

P.4.
Hình

P.4

Vẽ

microstrip

line,

ground

plane

và

chấn

tử

cho

feed

dipole

0.

Bán

kính

130

mm,

chiều

cao

63

mm.

Tiếp

theo

ta chọn

mặt

trên

cùng


phản

xạ.
15
Hình

P.5

Giao

diện

sau

khi

tạo

xong

chảo

phản

xạ
+

Tiếp

theo


có

hai

cách

đặt

port
là:

đặt

port

ngang

và

đặt

port

đứng.

Đặt

port


thước

phù

hợp

với

các đường

phối

hợp

trở

kháng.

Đặt

port

đứng
thì

chúng

ta

cần


đường

phối

hợp

trở

kháng.

Ở đây

ta

sử

dụng

kiểu

đặt

port

ngang

để

cấp

port.

Port

được

đặt

từ

vị

trí

ground

plane
của

feed

dipole

đi

lên.

Ở

đây

port,

ta

chọn

HFSS>Excitations>Assign>wave

port,

cửa

sổ

hiện

ra

như

hình

P.7

ta

thiết

lập



vẽ

mũi

tên

đi

từ

vị

trí

ground plane
tới

microstrip

line

và

chọn

điện

trở



quả

như

hình

bên

dưới.
+

Để

chọn

chất

liệu

cho

mặt

phản

xạ,

ta



ta

check vào

ô

Use
Material

và

chọn

chất

liệu

là

nhôm

(Aluminium).

Đối

với

đáy



là

mặt

phản

xạ

của
anten.
3.2. Kết quả mô phỏng
Sau

khi

đưa

ra

các

thông

số

kĩ

thuật



đó

trên

phần

mềm

Ansoft

HFSS.
16
Hình

3.1.1

Anten

được

thiết

kế

trong

Ansoft

HFSS

feed

dipole làm

trên

nền

mạch

in

FR4

có

hằng

số

điện

môi

4.6

và

độ


thị

3D

thể

hiện

độ

định

hướng

của

anten
17


Độ

lợi

(Gain):
Hình

3.1.3

Đồ

là

14.7

dB,

độ

lợi

cực

đại

là

13.8

dB.

Các

kết quả

này

cơ

bản


Hình

3.1.4

Đồ

thị

bức

xạ

tính

theo

dB
18
Hình

3.1.5

Đồ

thị

bức

xạ



loại

anten

định

hướng

tốt với

búp

sóng

phụ

rất

nhỏ,

búp

sóng

chính

rộng

khoảng

trên,

ta

thấy

anten

cộng

hưởng

tại

tần

số

2.44

GHz

với

Return

Loss bằng

-32.2



đứng

VSWR:
Hình

3.1.7 Tỉ

số

sóng

đứng

của

anten

tính

theo

mag
Tại

tần

số

cộng

kháng

cho

anten

được

thực

hiện

rất

tốt.

Qua

các

kết

quả

mô

phỏng

trên,



tốt

ở

dải

tần

từ

2.4

GHz

đến

2.476

GHz,

tốt
nhất

tại

tần

số



tuy

nhiên

đây

có

thể

coi

là

giá

trị

đặc

thù

của

loại

anten

định


tế

và

đo

đạt

các kết

quả.
Tuy

nhiên

kết

quả

thực

tế

lại

có

sự



nên

chỉ

có

thể

thấy

được

khác

biệt

như

sau:
Độ

lợi

của

anten

khi



2.44

GHz.

Điều

này

cho

thấy

tần

số

cộng

hưởng

của

anten

khi

đo đạt

là


này

được

giải

thích

là

do

hằng

số

điện

môi

của

lớp

nền

mạch

in FR4

FR4

được dùng

trong

đề

tài
này

thì

hằng

số

điện

môi

thay

đổi

theo

các

giá

ra

kết

quả

đồng

nhất

giữa mô

phỏng

và

thực

tế.

Tuy

nhiên

trong
quá

trình

thực


nhau
thì

thấy

rằng:

khi

hằng

số

điện môi

của

lớp

nền

càng

lớn

thì

tần



đạt

tần

số

cộng

hưởng

tại

2.44

GHz

ta

thực hiện

theo

2
phương

pháp

sau:
Phương


kích

thước
anten

sao

cho

mô

phỏng

đạt

tần

số

cộng

hưởng

2.64

GHz

để



dịch

tần

số

cộng

hưởng

một cách

tuyến
tính

là

không

hợp

lí,

cho

kết

quả



hai:

Thay

đổi

hằng

số

điện

môi

FR4

lên

giá

trị

cao

hơn

sau

đó

2.44

GHz.
P
hương

pháp

này

với

giá
trị

hằng

số

điện

môi

là

5

nhưng

khi

cho

thấy

mạch

in

FR4

đang

sử

dụng

có

hằng

số

điện

môi

cao

hơn



số

kĩ
thuật

được

tối

ưu

lại

như

sau:
+

Mặt

phản

xạ

được

giữ

nguyên


của

feed

dipole

sau

khi

thay

đổi

có

kích

thước

như

hình

3.17.
Hình

3.1.8


Kết

quả

về

độ

lợi

và

tần

số

cộng

hưởng

thu

được

qua

mô

phỏng



khả

năng
hoạt

động

tốt

ở

tần

số

2.44

GHz.
Tuy nhiên l
ớp

nền

mạch

in

FR4



tối

ưu

anten

gặp

nhiều

khó

khăn,

dẫn

đến

kết
quả

thực

tế
sẽ
sai

lệch
về


short

backfire

thì

kích

thước

đường

kính

và

độ

cao

vành

mặt
phản

xạ

có


cạnh
cho

anten

nên

việc

tối

ưu

hai

kích

thước

này

là

rất

quan

trọng.
Tóm



GHz

với

độ

lợi

tương

đối

cao.
Tuy vậy
cần

tối

ưu

các

thông

số

kĩ

thuật

kế

feed

dipole

trên

tấm

mạch

in

FR4

có

chất

lượng

tốt,

độ

dày

nhỏ,
hằng


băng

thông cho

anten.
21
Cần phải
thêm

chấn

tử

để

tăng

độ

lợi

và

độ

định

hướng



phân

cực

và

đa

băng

để

anten

sử

dụng

được

nhiều
dãy

tần

số

khác


Constantine

A.Balanis,

Antenna

Theory-

Analysic

and

Design.

Third

Edition,2005.
[3]

Kyohei

Fujimoto,

Mobile

Antenna

System

Handbook.


Bài

giảng

Anten

&

truyền

sóng,

Cần
Thơ,

2004.
[5]

Luận

văn

tốt

nghiệp,

Lê

Hoàng


tốt

nghiệp,

Huỳnh

Ngọc

Tuấn,

Thiết

kế

Patch

Anten

độ

lợi

cao dùng

trong
WLAN

2.4



trên

mạch

in

dùng cho

WLAN
2.4

GHz,

Cần

Thơ,

2010.
[8]

User’s

guide

–

Exemples,

Ansoft