Antenna turning cho người mới bắt đầu

Bạn đã nghe về điều chỉnh tối ưu anten nhưng gặp khó khăn với các phép toán phức tạp? Dưới đây là hướng dẫn nhanh và thực tế về cách thực hiện điều chỉnh anten cho thiết bị IoT của bạn.

Điều chỉnh anten là gì?

Anten có điện trở (resistance), điện dung (capacitance) và điện cảm (inductance), được xác định bởi các đặc tính vật lý như hình dạng, kích thước, vật liệu và môi trường xung quanh. Khi tín hiệu tần số cao được cấp vào anten để phát sóng, không phải toàn bộ công suất đều được anten bức xạ, một phần nhỏ sẽ bị phản xạ ngược về nguồn. Những sóng phản xạ này tạo ra “sóng đứng” (Standing Waves) trên đường truyền, dẫn đến tổn hao. Phản xạ đạt mức tối thiểu khi trở kháng nguồn (source impedance) bằng trở kháng tải (load impedance). Để giảm phản xạ và tổn hao công suất, trở kháng tải (anten) cần bằng trở kháng nguồn (thường là 50 ohm hoặc theo thiết kế). Điều chỉnh anten là quá trình khớp trở kháng của anten với trở kháng nguồn. Nếu anten đã có trở kháng bằng nguồn, không cần điều chỉnh.

Tại sao cần điều chỉnh anten?

Anten là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống không dây, chịu trách nhiệm gửi và nhận dữ liệu ở tầng vật lý (physical layer). Anten được điều chỉnh đúng cách mang lại nhiều lợi ích, như tăng phạm vi hoạt động và giảm tiêu thụ năng lượng của thiết bị không dây.

VSWR, S11, Return Loss:

Đây là các thuật ngữ phổ biến trong điều chỉnh anten:

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio): Tỷ lệ sóng đứng điện áp, là hàm của hệ số phản xạ (reflection coefficient), biểu thị công suất phản xạ từ anten. Hệ số phản xạ được gọi là S11 hoặc Return Loss.
VSWR luôn là số thực và dương. VSWR càng nhỏ, anten càng khớp tốt với đường truyền, công suất truyền đến anten càng lớn. VSWR = 1.0 là lý tưởng, không có công suất phản xạ. Thông thường, VSWR < 2 được coi là rất tốt, ít lợi ích khi khớp trở kháng thêm.

VSWR	S11	Công suất phản xạ (%)	Công suất phản xạ (dB)
1.0	0.000	0.00	-Infinity
1.5	0.200	4.0	-14.0
2.0	0.333	11.1	-9.55
2.5	0.429	18.4	-7.36
3.0	0.500	25.0	-6.00
3.5	0.556	30.9	-5.10
4.0	0.600	36.0	-4.44

Ví dụ, VSWR = 2 tương ứng 11.1% công suất phản xạ, tức 89.9% công suất được truyền. VSWR = 1.5 tăng công suất truyền lên 96%, không phải cải thiện lớn. Do đó, giảm VSWR từ 2 xuống 1.8-1.7 không mang lại nhiều cải thiện.

Lựa chọn anten

Các loại anten phổ biến:

Whip Antenna (Anten roi):

Cấu trúc đơn giản, dễ mua trên thị trường.
Hướng bức xạ đa hướng (omnidirectional) trừ dọc theo chiều dài anten (hình dạng donut).
Hiệu quả cao, có sẵn với đầu nối tiêu chuẩn (SMA, U.FL).
Nhược điểm: Kích thước lớn, không phù hợp đặt trong hộp.

Dipole Antenna (Anten lưỡng cực):

Cấu trúc đơn giản, không cần mặt phẳng đất (ground plane).
Hướng bức xạ tương tự anten roi, đa hướng theo hình donut.
Nhiều biến thể: Half-wave, Monopole, Folded Dipole, Short Dipole.
Nhược điểm: Kích thước lớn.

PCB Antenna (Anten PCB):

Nhỏ gọn, không cần linh kiện khớp trở kháng vì điều chỉnh bằng cách thay đổi chiều dài anten.
Thích hợp cho thiết bị có hạn chế không gian, như điện thoại di động.
Nhược điểm: Hiệu quả thấp hơn anten lưỡng cực. Cần điều chỉnh lại nếu thay đổi PCB (vật liệu, độ dày, linh kiện).

Dielectric Resonator Antenna (Chip Antenna):

Rất nhỏ gọn, gần như đa hướng.
Thường cần mặt phẳng đất.
Trở kháng đầu vào thay đổi, hầu như luôn cần khớp trở kháng.
Nhược điểm: Hiệu quả thấp hơn anten lưỡng cực, cần mạch khớp và linh kiện khớp gây tổn hao thêm.

Dải tần số hoạt động (Working Frequency Range)

Kích thước anten quyết định dải tần số cộng hưởng. Anten lớn có tần số cộng hưởng thấp và ngược lại. Lựa chọn anten dựa trên dải tần số yêu cầu.

Băng thông (Bandwidth)

Băng thông là dải tần số mà anten hoạt động với VSWR < 2:1 (return loss < -10dB). Ví dụ, băng thông từ 2.4GHz đến 2.7GHz. Khi anten nằm trong hộp, các tham số có thể thay đổi so với không gian tự do (free space). Anten băng rộng (wide-band) được ưu tiên để bù đắp thay đổi này.

Khi ăng-ten nằm trong một hộp hoặc vỏ bọc, các thông số của ăng-ten có thể thay đổi so với khi nó hoạt động trong không gian tự do. Để bù đắp cho những thay đổi này, người ta thường ưu tiên sử dụng ăng-ten băng rộng.

Biểu đồ dưới đây so sánh băng thông của ba loại ăng-ten có các thông số vật lý khác nhau. Đường chấm đen thể hiện băng thông cao nhất, trong khi đường chấm đỏ có băng thông thấp nhất. Lưu ý rằng tổn hao phản xạ cũng tăng lên khi băng thông tăng. Vì vậy, cần có sự đánh đổi giữa băng thông và tổn hao phản xạ.

Kích thước và hạn chế không gian

Anten nhỏ thường có tổn hao lớn hơn anten kích thước phù hợp. Nên chọn anten kích thước phù hợp nếu không gian cho phép hoặc anten có thể đặt ngoài hộp (như anten roi).

Độ lợi (Gain), Hướng bức xạ (Radiation Pattern) và Độ định hướng (Directivity)

Anten có độ định hướng cao cho phạm vi và hiệu suất tốt hơn, nhưng chỉ ở một hướng cụ thể.
Anten đẳng hướng (isotropic/omnidirectional) giảm phạm vi để đổi lấy bức xạ đều.
Độ lợi: Giá trị dương cho biết anten bức xạ mạnh hơn anten đẳng hướng, giá trị âm cho biết yếu hơn.
Hướng bức xạ: Biểu đồ thể hiện hướng anten bức xạ, gồm thùy chính (main lobe) và thùy phụ (side lobe). Anten bức xạ mạnh nhất ở thùy chính.

Loại đầu nối (Connector Type)

Đầu nối phụ thuộc vào không gian trên PCB, phổ biến là SMA và U.FL.

Công cụ cần thiết

Phần cứng

VNA (Vector Network Analyzer):

Máy phân tích mạng vector, như miniVNA hoặc nanoVNA, là thiết bị USB giá hợp lý, không có màn hình, cần kết nối với máy tính để xem kết quả. Link mua: nanoVNA.

Calibration Kit:

Bộ hiệu chuẩn gồm 3 đầu nối: short, open, và trở kháng 50 ohm, cần mua riêng nếu không đi kèm VNA.

Matching Components:

Cần các linh kiện khớp (cuộn cảm, tụ điện) với nhiều giá trị khác nhau. Chọn linh kiện có ESR thấp để giảm hiệu ứng điện cảm/dung ký sinh.

Connector Converters:

Dùng để chuyển đổi loại đầu nối, như SMA sang U.FL hoặc SMA male sang female.

Phần mềm

Phần mềm cho VNA:

Tùy thuộc vào loại VNA, tham khảo tài liệu từ nhà sản xuất.

Smith Chart:

Biểu đồ Smith hiển thị trở kháng phức của anten theo tần số, hỗ trợ tính toán linh kiện khớp. Phần mềm: SimSmith.

Hướng dẫn thiết kế PCB

Đặt anten theo hướng dẫn trong datasheet.
Tránh kim loại gần anten vì có thể làm thay đổi tham số.
Đường truyền (feedline) từ nguồn đến anten phải có trở kháng bằng nguồn.
Thêm mạch Pi (Pi network) trước anten để điều chỉnh, ưu tiên dùng linh kiện kích thước 0402.

Cách điều chỉnh anten

Hiệu chuẩn VNA

Hiệu chuẩn VNA loại bỏ sai số hệ thống bằng cách đo các chuẩn hiệu chuẩn (short, open, load). Hiệu chuẩn cần thực hiện gần điểm đo nhất để tránh sai lệch do cáp dài.

Hiệu chuẩn trên PCB

Với anten không gắn trên PCB, hiệu chuẩn trực tiếp bằng bộ calibration kit.
Với anten trên PCB, hiệu chuẩn phải tính đến đường truyền (feedline). Hàn cáp đồng trục ngắn chất lượng cao vào PCB, ngay trước điểm bắt đầu feedline.
OPEN: Giữ mạch Pi hở.
SHORT: Nối tắt feedline với đất.
LOAD: Gắn điện trở 50 ohm (độ chính xác ±1%) giữa feedline và đất.
Lưu hiệu chuẩn theo tài liệu VNA.

Ví dụ: Chúng tôi chuẩn bị PCB để hiệu chuẩn:

OPEN: Tháo C24, C26, R22, R28, R27.
SHORT: Gắn điện trở 0 ohm tại C24.
LOAD: Gắn điện trở 50 ohm tại C24.

Đo anten ban đầu

Sau khi hoàn tất hiệu chuẩn, bạn có thể bắt đầu đo anten. Kết nối VNA với anten mà không sử dụng bất kỳ linh kiện khớp nào. Nếu anten cần được đặt trong hộp, hãy đặt nó vào hộp và lắp đặt như trong phiên bản cuối cùng. Kiểm tra Return Loss và VSWR trong dải tần số quan tâm. Giá trị Return Loss dưới -10 dB hoặc VSWR < 2:1 là đủ tốt. Việc cải thiện từ -10 dB xuống -20 dB không mang lại lợi ích đáng kể.

Lý do là tại VSWR 2:1, chỉ 11,1% công suất truyền đến anten bị phản xạ ngược lại, nghĩa là 89,9% công suất được anten truyền đi. Tại VSWR 1,5:1, 4% công suất bị phản xạ và 96% công suất được truyền. Sự khác biệt giữa 89,9% và 96% công suất truyền không đáng kể.

Nếu phản hồi của anten trong dải tần số mong muốn đã dưới -10 dB, anten đã được điều chỉnh. Nếu không, hãy tiếp tục các bước điều chỉnh tiếp theo.

Ví dụ: Kết quả đo anten không có linh kiện khớp cho thấy return loss đạt đỉnh tại 2.5GHz, nhưng dải tần yêu cầu là 2.4GHz ISM band.

Xác định điểm cần điều chỉnh

Với anten hoạt động ở một tần số duy nhất (ví dụ: 868.5MHz), tập trung vào tần số đó.
Với dải tần (ví dụ: 2.4GHz ISM band, 2400-2483.5MHz), chọn điểm trung tâm (ví dụ: 2440MHz) hoặc lệch theo yêu cầu ứng dụng.
Kiểm tra điểm quan tâm trên biểu đồ Smith, mục tiêu là đưa điểm này về trung tâm (khớp trở kháng hoàn hảo).

Ví dụ: Điểm quan tâm là 2440MHz, mục tiêu đưa điểm này về trung tâm biểu đồ Smith.

Tính giá trị linh kiện khớp

Sử dụng công cụ như SimSmith để tính giá trị linh kiện. Hiểu cách điểm di chuyển trên biểu đồ Smith:

Smith Charts

Cuộn cảm nối tiếp (series inductor): Di chuyển điểm theo chiều kim đồng hồ trên vòng tròn trở kháng không đổi.
Tụ điện nối tiếp (series capacitor): Di chuyển điểm ngược chiều kim đồng hồ trên vòng tròn trở kháng không đổi.
Cuộn cảm song song (parallel inductor): Di chuyển điểm ngược chiều kim đồng hồ trên vòng tròn dẫn nạp không đổi.
Tụ điện song song (parallel capacitor): Di chuyển điểm theo chiều kim đồng hồ trên vòng tròn dẫn nạp không đổi.

Ví dụ: Sử dụng SimSmith, chúng tôi chọn mạch L với:

Tụ điện song song: 1pF.
Cuộn cảm nối tiếp: 1nH.

Kiểm tra anten với linh kiện tính toán

Đo lại anten với linh kiện khớp. Nếu return loss tại tần số quan tâm < -10dB, anten đã được điều chỉnh.

Ví dụ: Kết quả đo gần với lý thuyết, anten hoạt động tốt ở dải 2.4GHz, nhưng cần cải thiện ở tần số cao hơn.

Lặp lại đến khi đạt yêu cầu

Do ký sinh (parasitic capacitance/inductance), kết quả thực tế có thể khác lý thuyết. Lặp lại tính toán và đo đến khi đạt yêu cầu.

Ví dụ:

Lần 1: Tụ song song 1pF, cuộn cảm nối tiếp 1.5nH, tập trung vào 2480MHz.
Lần 2: Tụ song song 0.5pF, cuộn cảm nối tiếp 1.5nH, đạt kết quả tốt hơn.

Kiểm tra thiết bị với anten đã điều chỉnh

Thử nghiệm thiết bị trong điều kiện thực tế.

Ví dụ: Trước điều chỉnh, phạm vi anten chỉ ~10m. Sau điều chỉnh, phạm vi tăng lên 90m (line-of-sight), tốc độ truyền cải thiện, truyền dữ liệu ổn định qua 2 tầng với tường bê tông.