Thiết kế hệ thống anten vòng cải thiện băng thông cho mạng WLAN 2.4GHz

Đề tài nghiên cứu Thiết kế anten vòng cải thiện băng thông WLAN 2.4GHz ứng dụng cao trong học thuật và nghiên cứu thực tiễn tham khảo chuyên ngành

• Tác giả: Võ Hồng Ngân
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Hồng Ngân
• Trường học: Trường Đại học Công Nghệ Đồng Nai
• Chuyên ngành: Công Nghệ, Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống anten vòng cải thiện băng thông cho ứng dụng mạng WLAN 2.4GHz
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Đồng Nai

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế anten vòng WLAN 2

Anten vòng là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực truyền thông không dây, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng WLAN 2.4GHz. Đề tài nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai đã tập trung vào thiết kế hệ thống anten vi dải dạng vòng với khả năng phân cực kép để cải thiện hiệu suất truyền nhận. Loại anten này kết hợp giữa tấm bức xạ hình tròn trên nền mạch in FR-4 và mặt phản xạ bằng nhôm, tạo nên một cấu trúc compact nhưng hiệu quả. Mục tiêu chính là cải thiện băng thông cho anten vi dải, vốn có nhược điểm là băng thông hẹp, giúp anten có thể hoạt động ổn định trên nhiều dịch vụ mạng khác nhau.

1.1. Khái niệm anten vi dải và ứng dụng thực tiễn

Anten vi dải microstrip là loại anten phẳng có kích thước nhỏ gọn, chi phí sản xuất thấp và dễ tích hợp vào các thiết bị không dây. Với dải tần 2.4GHz, anten này được sử dụng rộng rãi trong các router WiFi, access point và thiết bị di động. Ưu điểm của anten vi dải bao gồm khả năng dễ chế tạo, tính nhẹ và có thể tích hợp trực tiếp lên bo mạch in.

1.2. Thách thức và cơ hội cải tiến

Thách thức chính trong thiết kế anten vòng là hạn chế băng thông hẹp của anten vi dải truyền thống. Bằng cách xoay điểm dẫn nạp 45 độ và cắt khe trên vòng bức xạ, nghiên cứu đã đạt được phân cực kép (tối ưu cả phân cực dọc và ngang), mở rộng khả năng ứng dụng và cải thiện chất lượng tín hiệu trong môi trường truyền phức tạp.

II. Nguyên lý hoạt động và cấu trúc thiết kế anten

Cấu trúc anten vòng cải tiến bao gồm ba thành phần chính: tấm bức xạ hình tròn, nền mạch in FR-4 và mặt phản xạ nhôm. Nguyên lý hoạt động dựa trên lý thuyết trường điện từ được mô tả bởi phương trình Maxwell, nơi sóng điện từ được phát xạ từ vòng tròn có kích thước đặc biệt. Khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phản xạ được tối ưu hóa để tăng cường hiệu suất bức xạ. Phần mềm Ansoft HFSS được sử dụng để mô phỏng toàn diện các thông số tán xạ (S11, S22, S33, S21, S31, S32), giúp điều chỉnh kích thước và vị trí các thành phần cho hiệu suất tối ưu.

2.1. Tấm bức xạ vòng và phân cực kép

Tấm bức xạ vòng được thiết kế với đường kính 128mm trên nền mạch in FR-4. Để tạo phân cực kép, điểm dẫn nạp được xoay 45 độ, cho phép anten hoạt động hiệu quả với cả sóng phân cực dọc (Eθ) và ngang (Eϕ). Khe cắt trên vòng giúp cải thiện băng thông và cân bằng độ lệch trường giữa hai thành phần phân cực.

2.2. Mặt phản xạ và tối ưu hóa kích thước

Mặt phản xạ nhôm có đường kính 140mm được đặt cách tấm bức xạ 11mm. Thiết kế này tăng cường hiệu suất bức xạ và giúp tập trung năng lượng theo hướng mong muốn. Khoảng cách này được lựa chọn thông qua mô phỏng để đạt được cộng hưởng tối ưu tại tần số 2.4GHz.

III. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế

Kết quả nghiên cứu cho thấy anten vòng ba port được thiết kế đạt được các thông số tán xạ phù hợp với yêu cầu. Mô phỏng trên phần mềm Ansoft HFSS cung cấp dữ liệu chi tiết về hệ số phản xạ S11, S22, S33 cho ba port, cũng như hệ số liên hợp S21, S31, S32 giữa các port. Đo đạc thực tế được thực hiện bằng phân tích mạng vector để so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng. Độ lợi anten được xác minh thông qua kiểm chứng thực tế, so sánh với anten tiêu chuẩn 2 dBi và Access Point WLAN 2.4GHz có ba anten toàn hướng, đảm bảo tính chính xác của thiết kế.

3.1. Hiệu suất bức xạ và phân cực kép

Hiệu suất bức xạ của anten vòng được cải thiện đáng kể nhờ phân cực kép. Các đo đạc cho thấy độ lệch giữa thành phần Eθ và Eϕ được cân bằng tốt nhất khi xoay điểm dẫn nạp 45 độ. Cắt khe trên vòng bức xạ giúp mở rộng băng thông từ khoảng 50MHz lên gần 200MHz, cho phép anten hoạt động trên nhiều dải tần ứng dụng.

3.2. So sánh kết quả mô phỏng và thực tế

Sự khớp giữa kết quả mô phỏng và đo đạc là rất tốt, với sai lệch nhỏ hơn 5%. Các thông số S-parameter tại ba port cho thấy liên hợp tối thiểu giữa các cổng, đảm bảo độc lập hoạt động. Độ lợi anten đạt 3-4 dBi là kết quả tốt cho ứng dụng WLAN, vượt trội hơn các anten tiêu chuẩn.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Anten vòng cải tiến mở ra nhiều triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông không dây hiện đại. Với khả năng phân cực kép và băng thông rộng, anten này phù hợp để tích hợp vào các router WiFi, access point, và thiết bị IoT hoạt động trên dải 2.4GHz. Trong môi trường truyền phức tạp với đa đường truyền (multipath propagation), khả năng nhận tín hiệu từ hai phương phân cực giúp cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) và tăng tốc độ truyền dữ liệu. Công nghệ này cũng có tiềm năng mở rộng cho các dải tần khác và các ứng dụng 5G, 6G trong tương lai.

4.1. Tích hợp vào thiết bị thực tế

Kích thước compact của anten vòng (đường kính phản xạ 140mm) cho phép dễ dàng tích hợp vào các thiết bị router, modem WiFi và access point thương mại. Chi phí sản xuất thấp nhờ sử dụng mạch in FR-4 tiêu chuẩn và nhôm, giúp anten kinh tế cho sản xuất hàng loạt. Tính nhẹ và bền của cấu trúc làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng di động và cố định.

4.2. Phát triển nghiên cứu tương lai

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm mở rộng dải tần cho các ứng dụng 5G và WiFi 6, tối ưu hóa độ lợi thông qua mảng anten, và tích hợp phần tử thụ động để lọc tần số. Mô phỏng đa vật lý có thể kết hợp nhiệt độ, độ ẩm để đánh giá ổn định định trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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-multiple- output) 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.

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.2 Lịch sử giải quyết vấn đề Anten vi dải là loại anten được đề xuất đầu tiên bởi G. 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.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 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. 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 (Mini- coaxial).

Sau quá trình mô phỏng là quá trình thi công, đo đạc và đánh giá kết quả.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 2.3 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 13.2, 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.

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).