thiết kế anten vi dài băng rộng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.73 MB, 85 trang )
TRƯỜNG …………………
KHOA………………………
[\[\
BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Đề tài:
Thiết kế anten vi
dài băng rộng
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cm n Tin s Trn Minh Tun, thy ã tn tình hng dn, giúp
em trong sut thi gian thc hin khóa lun. Không có s giúp và nhng li
khuyên vô giá ca thy, khóa lun ca em không th c hoàn thành.
Thêm na, em cng mun bày t li cm n ti GS. Phan Anh và Ths. Trn Th Thúy
Qunh ã kp thi tr li nh
ng câu hi và nhng thc mc ca em trong quá trình
thc hin khóa lun, cng nh ã to iu kin thun li em s dng các thit b,
máy móc trong phòng thí nghim thc hin ch to và o c thc nghim.
Cui cùng, em mun cm n sâu sc ti gia ình em. Gia ình ã yêu thng, ng h
và giúp em không ch trong thi gian làm khóa lu
n mà trong c khóa hc.
Hà Ni, tháng 06 nm 2008
Sinh viên
Lưu Văn Hoan
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
i
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN
Khóa lun tp trung nghiên cu, thit k, ch to mt anten vi di bng rng, có kh
nng hot ng ti nhiu di tn. Anten này s dng cho các thit b di ng hot ng
trong các di tn GSM, DCS, PCS, UTMS, WLAN. Anten c ch to trên cht nn
có hng s in môi
r
= 4.4, dày là 0.8 mm và c thit k ti tn s 900 MHz và
2000 MHz.
Ni dung khóa lun bao gm 4 chng và phn ánh giá kt qu khóa lun và hng
phát trin tip theo. Trong ó có th chia thành hai phn vi ni dung nh sau:
Phn u tiên ca khóa lun cp ti lý thuyt c bn v anten, anten vi di và
ng truyn vi di. Chng 1 gii thiu và nh ngha anten, nêu ra mt s tham s
c bn ánh giá hiu sut ca anten nh: gin bc x, công sut bc x, h s
nh hng, h s tng ích, phân cc, tr kháng vào, … Tip theo là khái nim v
anten vi di: các u im, nhc im và mt s loi anten vi di ã c nghiên cu
và thit k. Mt s im tng quát v
ng truyn vi di cng c trình bày.
Chng 2 a ra các phng pháp thit k anten vi di bng rng và anten vi di có
th hot ng ti nhiu bng tn. Trong ó, mt s phng pháp thit k anten vi
di c trình bày nh: phng pháp phi hp tr kháng liên tc, phng pháp s
dng cht nn dày hn, phng pháp kích thích a mode, phung pháp s dng nhi
u
patch xp chng nhau, … ng thi a ra các phng pháp thit lp anten vi di
có kh nng hot ng ti nhiu di tn khác nhau. Vic thit k các anten bng rng
và a di tn áp ng xu th tích hp, thu nh kích thc cho các thit b di ng a
nng.
Phn th hai i vào thit k, mô phng và o c các tham s ca anten. Ch
ng 3
trình bày phng pháp thit k các thành phn ca anten: thành phn bc x, b phi
hp tr kháng di rng, và ng truyn vi di 50 . Chng 4 trình bày quá trình mô
phng, qui trình thit k và o c thc nghim. Phn mô phng gii thiu v phn
mm Ansoft HFSS, phn mm c s dng trong mô phng các bài toán in t 3D.
Trong ó trình bày vic thit t các tham s quan tr
ng thc hin phân tích cu
trúc anten, kt qu mô phng cu trúc anten có nhánh iu chnh và không có nhánh
iu chnh. Sau khi quá trình thit k, mô phng ã hoàn thành (t c các tiêu chí
yêu cu), tin hành ch to và o c các tham s ca anten s dng máy Network
Analyse và h o trng bc x ca anten.
Kt qu o c thc nghim và kt qu mô phng cho anten c thit k trong khóa
lun tng i phù hp nhau. Da vào vic phân tích kt qu và phân tích qui trình
ch to anten, khóa lun a ra các nguyên nhân gây ra sai lch. ng thi ra
phng hng gii quyt và phng hng nghiên cu tip theo nhm ci thin các
c tính ca anten.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
ii
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
MỤC LỤC
LI CM N i
TÓM TT NI DUNG KHÓA LUN ii
MC LC iii
LI NÓI U 1
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải
1.1. Lý thuyt chung v anten 3
1.1.1. Gii thiu 3
1.1.2. Các tham s c bn ca anten 5
1.1.2.1. S bc x sóng in t bi mt anten 5
1.1.2.2. Gin bc x 6
1.1.2.3. Mt công sut bc x 10
1.1.2.4. Cng bc x 11
1.1.2.5. H s nh hng 12
1.1.2.6. H s tng ích 13
1.1.2.7. Bng thông 14
1.1.2.8. Phân cc 15
1.1.2.9. Tr kháng vào 17
1.2. ng truyn vi di và anten vi di 18
1.2.1. ng truyn vi di 18
1.2.1.1. Cu trúc ng truyn vi di 18
1.2.1.2. Cu trúc trng ca ng truyn vi di 18
1.2.2. Anten vi di 19
1.2.2.1. Gii thiu chung 19
1.2.2.2. Mt s loi anten vi di c bn 20
1.2.2.3. Anten patch hình ch nht 22
Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần
2.1. Gii thiu chung 24
2.1.1. Di thông tn 24
2.1.2. Di tn công tác 25
2.2. M rng bng thông ca anten vi di 25
2.2.1. Gii thiu 25
2.2.2. nh hng ca các tham s cht nn ti bng thông 27
2.2.3. La chn hình dng thành phn bc x thích hp 28
2.2.4. La chn k thut tip in thích hp 29
2.2.5. K thut kích thích a mode 30
2.2.5.1. M rng bng thông s dng nhiu thành phn bc x xp chng 30
2.2.5.2. M rng bng thông s dng các thành phn kí sinh ng phng 31
2.2.5.3. Các k thut kích thích a mode khác 35
2.2.6. Các k thut m rng bng thông khác 35
2.2.6.1. Phi hp tr kháng 36
2.2.6.2. Mc ti in tr 37
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
iii
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
2.3. Anten vi di nhiu bng tn 37
2.3.1. Anten vi di 2 tn s cng hng 37
2.3.2. Anten vi di nhiu hn 2 tn s cng hng 38
2.4. Phi hp tr kháng di rng 39
2.4.1. Ý ngha ca vic phi hp tr kháng 39
2.4.2. Phi hp tr kháng di rng 39
2.4.3. Mt s b phi hp tr kháng di rng 42
2.4.3.1. B phi hp tr kháng liên tc dng hàm m 42
2.4.3.2. B phi hp tr kháng liên tc dng tam giác 43
2.4.3.3. B phi hp tr kháng liên tc Klopfenstein 44
2.4.4. Tiêu chun Bode – Fano 46
Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải
3.1. Gii thiu 48
3.2. Thit k thành phn bc x 49
3.3. Thit k thành phn phi hp tr kháng di rng 50
3.3.1. So sánh mt s b phi hp tr kháng di rng 50
3.3.2. La chn b phi hp tr kháng di rng 52
3.4. Thit k ng truyn vi di 50 53
3.4.1. Thit k vi Ansoft Designer 2.0 53
3.4.2. Thit k da vào lý thuyt ng truyn vi di 54
3.4.2.1. Tr kháng c trng Z
0
54
3.4.2.2. Bc sóng trên ng vi di 55
3.4.2.3. Công sut cho phép trung bình P
av
57
3.4.2.4. Công sut cho phép ti a P
p
58
Chương 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten
4.1. Mô phng cu trúc anten vi phn mm Ansoft HFSS 59
4.1.1. Phn mm HFSS phiên bn 9.1 59
4.1.2. Kt qu mô phng vi HFSS 9.1 61
4.2. Ch to anten 67
4.3. o c các tham s ca anten 69
PH LC 73
A. Ph lc 1: Thut toán chia li thích nghi ca Ansoft HFSS 9.1 73
B. Ph lc 2: Mt s lu ý v thit t các tham s trong HFSS 74
B.1. Solution Setup 74
B.2. Mesh Operations 77
B.3. Radiation Boundary 78
TÀI LIU THAM KHO 80
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
iv
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
LỜI NÓI ĐẦU
Truyn thông không dây ã phát trin rt nhanh trong nhng nm gn ây, theo ó các
thit b di ng ang tr nên càng ngày càng nh hn. tha mãn nhu cu thu nh
các thit b di ng, anten gn trên các thit b u cui cng phi c thu nh kích
thc. Các anten phng, chng hn nh anten vi di (microstrip antenna) và anten
mch in (printed antenna), có các u im hp dn nh
kích thc nh và d gn lên
các thit b u cui, …; chúng s là la chn tha mãn yêu cu thit k trên. Cng
bi lí do này, k thut thit k anten phng bng rng ã thu hút rt nhiu s quan tâm
ca các nhà nghiên cu anten.
Gn ây, c bit là sau nm 2000, nhiu anten phng mi c thit k tha mãn các
yêu cu v bng thông c
a h thng truyn thông di ng t bào hin nay, bao gm
GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital
Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System,
1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 –
2170 MHz), ã c phát trin và ã xut bn trong nhiu các tài liu liên quan. Anten
phng cng rt thích hp i vi ng dng trong các thit b truyn thông cho h thng
mng cc b không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các di tn 2.4
GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).
Anten vi di vn ã có bng thông hp, và m rng bng thông thng là nhu cu i
v
i các ng dng thc t hin nay. Do ó, vic gim kích thc và m rng bng
thông ang là xu hng thit k chính cho các ng dng thc t ca anten vi di.
Nhiu s ci tin áng k thit k anten vi di “nén” vi c tính bng rng, nhiu
bng tn, hot ng vi c hai loi phân cc, phân cc tròn và tng ích cao ã
c
báo cáo trong mt vài nm gn ây.
Khóa lun tp trung thit k mt anten vi di bng rng và a di tn. ng thi s
dng phn mm Ansoft HFSS thit k và mô phng. HFSS s dng phng pháp
phn t hu hn (Finite Element Method, FEM), k thut chia li thích nghi
(adaptive meshing) và giao din ha p mang n s hiu bit sâu sc i vi
t
t c các bài toán trng in t 3D.
Khóa lun gm 4 chng:
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải
Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần
Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải
Chương 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten
Bng nhng nghiên c
u lý thuyt và thc nghim, kt hp vi mô phng khóa lun ã
thc hin c nhng ni dung chính sau ây:
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
1
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
¾ Nghiên cu lý thuyt v anten và anten vi di.
¾ Nêu ra nguyên lý và các phng pháp xây dng anten vi di bng rng và
anten có kh nng hot ng ti nhiu di tn.
¾ Thit k, mô phng và ch to anten vi di dt có cu trúc xon, tip in dùng
ng truyn mch di.
¾ o c và ánh giá các c tính ca anten c thit k nh: tn s cng
hng, bng thông, tr kháng vào, gin bc x.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
2
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
L
Ý
THU
Y
Ế
TC
Ơ
B
Ả
N
V
Ề
ANTEN
V
À
ANTEN VI D
Ả
I
CHƯƠNG 1
Tóm tắt
Chương này trình bày các vấn đề sau:
¾ Định nghĩa anten
¾ Các tham số cơ bản của anten
¾ Đường truyền vi dải
¾ Anten vi dải, mô tả cụ thể anten vi dải có patch hình chữ nhật
1.1. Lý thuyết chung về anten
1.1.1. Giới thiệu
Thit b dùng bc x sóng in t (anten phát) hoc thu nhn sóng (anten thu) t
không gian bên ngoài c gi là anten. Nói cách khác, anten là cu trúc chuyn tip
gia không gian t
do và thit b dn sóng (guiding device), nh th hin trong hình
1.1. Thông thng gia máy phát và anten phát, cng nh gia máy thu và anten thu
không ni trc tip vi nhau mà c ghép vi nhau qua ng truyn nng lng
in t, gi là fide. Trong h thng này, máy phát có nhim v to ra dao ng in
cao tn. Dao ng in s c truyn i theo fide ti anten phát di dng sóng in
t ràng buc. Ng
c li, anten thu s tip nhn sóng in t t do t không gian bên
ngoài và bin i chúng thành sóng in t ràng buc. Sóng này c truyn theo fide
ti máy thu. Yêu cu ca thit b anten và fide là phi thc hin vic truyn và bin i
nng lng vi hiu sut cao nht và không gây ra méo dng tín hiu.
Hình 1.1. Anten như một thiết bị truyền sóng [3]
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
3
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Phng trình tng ng Thevenin h thng anten trong hình 1.1 làm vic ch
phát c th hin trong hình 1.2, trong ó ngun c th hin bi b to dao ng lý
tng, ng truyn dn c th hin bi ng dây vi tr kháng c trng Z
c
, và
anten c th hin bi ti Z
A
, trong ó Z
A
=(R
L
+ R
r
)+jX
A
. Tr kháng ti R
L
th hin
s mt mát do in môi và vt dn (conduction and dielectric loss), 2 thành phn mt
mát này luôn gn vi cu trúc anten. Tr kháng R
r
c gi là tr kháng bc x, nó th
hin s bc x sóng in t bi anten. in kháng X
A
th hin phn o ca tr kháng
kt hp vi s bc x bi anten. Ngoài sóng in t bc x ra khu xa, còn có trng
in t dao ng gn anten, giàng buc vi anten. Phn công sut này không bc x
ra ngoài, mà khi thì chuyn thành nng lng in trng, khi thì chuyn thành nng
lng t trng thông qua vic trao i nng lng vi ngun. Công su
t này gi là
công sut vô công, và c biu th thông qua in kháng X
A
. Trong iu kin lý
tng, nng lng to ra bi ngun s c truyn hoàn toàn ti tr kháng bc x R
r
.
Tuy nhiên, trong mt h thng thc t, luôn tn ti các mt mát do in môi và mt
mát do vt dn (tùy theo bn cht ca ng truyn dn và anten), cng nh tùy theo
s mt mát do phn x (do phi hp tr kháng không hoàn ho) im tip in gia
ng truyn và anten.
Hình 1.2. Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.1 [3]
Sóng ti b phn x ti im tip in gia ng truyn dn và u vào anten. Sóng
phn x cùng vi sóng truyn i t ngun thng ti anten giao thoa nhau to thành
sóng ng (standing wave) trên ng truyn dn. Khi ó trên ng truyn xut hin
các nút và bng sóng ng. Mt mô hình sóng ng in hình c th hin là ng
gch t trong hình 1.2. Nu h th
ng anten c thit k không chính xác, ng
truyn có th chim vai trò nh mt thành phn lu gi nng lng hn là mt thit b
truyn nng lng và dn sóng. Nu cng trng cc i ca sóng ng ln,
chúng có th phá hy ng truyn dn. Tng mt mát ph thuc vào ng truyn,
cu trúc anten, sóng ng. Mt mát do ng truy
n có th c ti thiu hóa bng
cách chn các ng truyn mt mát thp, trong khi mt mát do anten có th c
gim i bng cách gim tr kháng bc x R
L
trong hình 1.2. Sóng ng có th c
gim i và kh nng lu gi nng lng ca ng truyn c ti thiu hóa bng
cách phi hp tr kháng ca anten vi tr kháng c trng ca ng truyn. Tc là
phi hp tr kháng gia ti vi ng truyn, ây ti chính là anten.
Mt phng trình tng t nh hình 1.2 c s dng th hin h thng anten
trong ch thu, ó ngun c thay bng mt b thu. Tt c các phn khác ca
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
4
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
phng trình tng ng là tng t. Tr kháng phát x R
r
c s dng th hin
trong ch thu nhn nng lng in t t không gian t do truyn ti anten.
Cùng vi vic thu nhn hay truyn phát nng lng, anten trong các h thng không
dây thng c yêu cu là nh hng nng lng bc x mnh theo mt vài hng
và trit tiêu nng lng các hng khác. Do ó, anten cng cn phi có vai trò nh
mt thit b bc x hng tính. Hn na, anten cng phi có các hình dng khác nhau
phù hp cho các mc ích c th.
Anten là mt lnh vc sôi ng. Công ngh anten ã là mt phn không th thiu trong
các gii pháp truyn thông. Nhiu s ci tin ã c a ra trong thi gian cách ây
hn 50 nm vn còn s dng ngày nay; tuy nhiên các kt qu mi và nhng thay i
ã c a ra ngày nay, c bit là nhu cu hiu sut h thng ngày càng ln hn.
1.1.2. Các tham số cơ bản của anten
Phn này trình bày mt s khái nim và các quan h c bn v anten nh: s bc x
sóng, trng bc x và gin trng bc x, phân cc sóng bc x, nh hng,
tn s cng hng, tr kháng, bng thông, tng ích, …
1.1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi nng lng t
ngun c truyn ti anten, 2 trng c to ra. Mt trng là
trng cm ng (trng khu gn), trng này giàng buc vi anten; còn trng kia là
trng bc x (trng khu xa). Ngay ti anten (trong trng gn), cng ca các
trng này ln và t l tuyn tính vi lng nng lng c cp ti anten. Ti khu xa,
ch có trng bc x là c duy trì. Trng khu xa g
m 2 thành phn là in trng
và t trng (xem hình 1.3).
Hình 1.3. Các trường bức xạ tại khu xa [8]
C hai thành phn in trng và t trng bc x t mt anten hình thành trng
in t. Trng in t truyn và nhn nng lng in t thông qua không gian t do.
Sóng vô tuyn là mt trng in t di chuyn. Trng khu xa là các sóng phng.
Khi sóng truyn i, nng lng mà sóng mang theo tri ra trên mt di
n tích ngày càng
ln hn. iu này làm cho nng lng trên mt din tích cho trc gim i khi khong
cách t im kho sát ti ngun tng.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
5
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
1.1.2.2. Giản đồ bức xạ
Các tín hiu vô tuyn bc x bi anten hình thành mt trng in t vi mt gin
xác nh, và ph thuc vào loi anten c s dng. Gin bc x này th hin các
c tính nh hng ca anten.
Gin bc x ca anten c nh ngha nh sau: “là mt hàm toán hc hay s th
hi
n ha ca các c tính bc x ca anten, và là hàm ca các ta không gian”.
Trong hu ht các trng hp, gin bc x c xét trng xa. c tính bc x là
s phân b nng lng bc x trong không gian 2 chiu hay 3 chiu, s phân b ó là
hàm ca v trí quan sát dc theo mt ng hay mt b mt có bán kính không i. H
ta th
ng c s dng th hin trng bc x trong hình 1.4.
Hình 1.4. Hệ thống tọa độ để phân tích anten [3]
Trong thc t, ta có th biu din gin 3D bi hai gin 2D. Thông thng ch
quan tâm ti gin là hàm ca bin
θ
vi vài giá tr c bit ca
φ
, và gin là
hàm ca
φ
vi mt vài giá tr c bit ca
θ
là a ra hu ht các thông tin cn
thit.
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten ng hng ch là mt anten gi nh, bc x u theo tt c các hng. Mc dù
nó là lý tng và không th thc hin c v mt vt lý, nhng ngi ta thng s
dng nó nh mt tham chiu th hin c tính hng tính ca anten th
c. Anten
hng tính là “anten có c tính bc x hay thu nhn sóng in t mnh theo mt vài
hng hn các hng còn li.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
6
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Mt ví d ca anten vi gin bc x hng tính c th hin trong hình 1.5. Ta
nhn thy rng gin này là không hng tính trong mt phng cha vector H
(azimuth plane) vi [
2/),(
π
θ
φ
=f
] và hng tính trong mt phng cha vector E
(elevation plane) vi
]),([ constg =
φ
θ
.
Hình 1.5. Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [3]
Mt phng E c nh ngha là “mt phng cha vector in trng và hng bc x
cc i”, và mt phng H c nh ngha là “mt phng cha vector t trng và
hng bc x cc i”. Trong thc t ta thng chn hng ca anten th nào ít
nht m
t trong các mt phng E hay mt phng H trùng vi mt trong các mt phng
ta (mt phng x hay y hay z). Mt ví d c th hin trong hình 1.6. Trong ví d
này, mt phng x-z (vi
0=
φ
) là mt phng E và mt phng x-y (vi
2/
π
θ
=
) là mt
phng H.
Hình 1.6. Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [3]
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
7
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Các búp sóng khác nhau ca gin bc x nh hng hay còn gi là các thùy (lobe)
có th phân loi thành thùy chính, thùy ph, thùy bên và thùy sau. Hình 1.7(a) minh
ha gin cc 3D i xng vi mt s thùy bc x. Mt vài thùy có cng bc
x ln hn các thùy khác. Nhng tt c chúng u c gi là các thùy. Hình 1.7(b)
th hin gin 2D (mt mt ph
ng ca hình 1.7(a)).
Hình 1.7. Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính [3]
(a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten
(b). Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó
Thùy chính (cng c gi là chùm chính) c nh ngha là “thùy cha hng bc
x cc i”. Trong hình 1.7, thùy chính ang ch theo hng
0=
θ
. Có th tn ti
nhiu hn mt thùy chính. Thùy ph là bt k thùy nào, ngoi tr thùy chính. Thng
thng, thùy bên là thùy lin sát vi thùy chính và nh x bán cu theo hng ca
chùm chính. Thùy sau là “thùy bc x mà trc ca nó to mt góc xp x 180 so vi
thùy chính. Thng thì thùy ph nh x bán cu theo hng ngc vi thùy chính.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
8
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Thùy ph th hin s bc x theo các hng không mong mun, và chúng phi c
ti thiu hóa. Thùy bên thng là thùy ln nht trong các thùy ph. Cp ca thùy ph
c th hin bi t s ca mt công sut theo hng ca thùy ó vi mt công
sut ca thùy chính. T s này c gi là t l thùy bên hay cp thùy bên.
Trường khu gần và trường khu xa
Không gian bao quanh m
t anten c chia thành 3 vùng; (a) trng gn tác ng tr
li (reactive near-field), (b) trng gn bc x (radiating near-field, Fresnel) và (c)
trng xa (Fraunhofer) nh ch ra trong hình 1.8.
Các vùng trng c phân nh nh vy xác nh cu trúc trng trong mi vùng.
Không có s thay i trng t ngt nào khi i qua biên gii gia các vùng nói trên.
Các biên phân gii các vùng trng không phi là duy nht, do có nhiu tiêu chun
khác nhau s dng xác nh các vùng trng.
Vùng trường gần tác động trở lại (reactive near-field region) c nh ngha là
“phn không gian trng gn trc tip bao quanh anten, xét khía cnh trng tác
ng tr li chim u th”. Trng này giàng buc vi ngun bc x và trao i nng
lng vi ngun. Vi hu ht các anten, biên ca vùng này c tính ti khong cách
λ
/62.0
3
DR <
tính t mt phng anten, ó
λ
là bc sóng và D là ng kính ln
nht ca anten.
Hình 1.8. Các vùng trường của một anten [3]
Vùng trường gần bức xạ (radiating near-field (Fresnel) region) c nh ngha là
“phn không gian nm gia trng gn tác ng tr li và trng xa, xét khía cnh
trng bc x chim u th”. Nu ng kính cc i ca anten không ln hn so vi
bc sóng, vùng này có th không tn ti. Biên trong c tính khong cách
λ
/62.0
3
DR ≥
và biên ngoài khong cách , trong ó D là kích thc
ln nht ca anten.
λ
/2
2
DR <
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
9
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Vùng trường xa (Far-field (Fraunhofer) region). Nu anten có kích thc ln nht là
D (D phi ln hn bc sóng,
λ
>D
), vùng trng xa thng c xem là tn ti
khong cách ln hn
tính t anten. Trong vùng này, trng là trng in t
ngang. Biên bên trong c xem nh khong cách
và biên ngoài vô
cc. Trong vùng trng xa, dng ca gin bc x hu nh không thay i khi dch
chuyn im quan sát ra xa dn. iu này c minh ha trong hình 1.9.
λ
/2
2
D
λ
/2
2
DR =
Hình 1.9. Giản đồ bức xạ trường xa của anten parabol tại các khoảng cách R khác
nhau [3]
1.1.2.3. Mật độ công suất bức xạ
Sóng in t c s dng truyn ti thông tin qua môi trng vô tuyn hay cu
trúc dn sóng, t im này ti im khác. i lng c s dng mô t nng
lng kt hp vi sóng in t là vector Poynting t
c thi c nh ngha nh sau:
(2.1)
ó,
vector Poynting tc thi (W/m
2
)
cng in trng tc thi (V/m)
cng t trng tc thi (A/m)
Tng công sut i qua mt mt kín có th thu c bng cách tích phân thành phn
pháp tuyn vi mt kín ca vector Poynting trên toàn mt kín ó. Phng trình là:
( 2.2)
Trong ó,
tng công sut tc thi (W)
vector n v pháp tuyn vi b mt
vi phân din tích ca b mt (m
2
)
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
10
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Khi trng bin i theo thi gian, ta thng tìm mt nng lng trung bình bng
cách tích phân vector Poynting tc thi trong 1 chu k và chia cho chu k. Khi trng
bin i tun hoàn theo thi gian có dng
, ta nh ngha các trng phc E và
H, chúng có quan h vi các thành phn tc thi
tj
e
ω
và bi công thc:
(2.3)
(2.4)
Ta có
][
2
1
]Re[
* tjtjtj
eEEeEe
ωωω
−
+=
. Khi ó (2.1) có th c vit li là:
(2.5)
Thành phn u tiên ca (2.5) không bin i theo thi gian, và thành phn th hai
bin i theo thi gian có tn s bng 2 ln tn s cho trc. Vector Poynting trung
bình theo thi gian (mt công sut trung bình) có th c vit li là:
(2.6)
Thành phn ½ xut hin trong (2.5) và (2.6) bi vì các trng E và H tính theo biên
.
Da trên nh ngha (2.6), công sut trung bình bc x bi anten (công sut bc x) có
th c nh ngha là:
(2.7)
1.1.2.4. Cường độ bức xạ
Cng bc x theo mt hng cho trc c nh ngha nh sau: “nng lng
c bc x t anten trên mt n v góc c”. Cng bc x là tham s trng xa,
và c tính bng cách n gin là nhân mt bc x vi bình phng ca khong
cách.
(2.8)
rad
WrU
2
=
ó, U là cng bc x (W/n v góc c).
W
rad
là mt bc x (W/m
2
).
Cng bc x cng có quan h vi in trng trong trng xa ca anten bi:
]),(),([
2
1
]),,(),,([
2
],,([
2
),(
22
2
2
2
2
2
φθφθ
η
φθφθ
η
φθ
η
φθ
φθ
φθ
oo
EE
rErE
r
rE
r
U
+≈
+≈=
(2.8a)
ó:
η
là tr kháng sóng ca môi trng.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
11
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
r
e
ErE
jkr
o
−
= ),(),,(
φθφθ
là cng in trng trong trng xa ca anten.
φθ
EE ,
là các thành phn in trng trong trng xa ca anten.
Tng công sut bc x nhn c bng cách tích phân cng bc x, nh c cho
bi (2.8) trên toàn góc c 4
π
. Do ó:
(2.9)
ó,
φ
θ
θ
ddd sin=Ω
là mt vi phân góc c.
1.1.2.5. Hệ số định hướng
H s nh hng ca anten c nh ngha nh sau: “t l ca cng bc x theo
mt hng cho trc so vi cng bc x trung bình trên tt c các hng. Cng
bc x trung bình bng tng công sut bc x bi anten chia cho
π
4
. Nu hng
không c xác nh, hng ca cng bc x cc i c chn”.
n gin hn, h s nh hng ca mt ngun bc x hng tính bng vi t l ca
cng bc x theo mt hng cho trc (U) và cng bc x ca mt ngun
ng hng (U
0
):
rad
P
U
U
U
D
π
4
0
==
(2.10)
Hng bc x cc i (hng tính cc i) c biu din nh sau:
rad
P
U
U
U
U
U
DD
max
0
max
0
max
0max
4
π
====
(2.10a)
ó, D là hng tính (không có th nguyên).
D
0
là hng tính cc i (không có th nguyên).
U là cng bc x (W/n v góc c).
U
max
là cng bc x cc i (W/n v góc c).
U
0
là cng bc x ca ngun ng hng (W/n v góc c).
P
rad
là tng công sut bc x (W).
Vi ngun ng hng, hin nhiên t (2.10) hay (2.10a) ta nhn thy rng hng tính
bng 1 khi U, U
max
và U
0
bng nhau.
Vi anten có các thành phn phân cc trc giao, chúng ta nh ngha h s nh hng
riêng (partial directivity), theo mt phân cc cho trc và mt hng cho trc, là t l
ca cng bc x tng ng vi mt phân cc cho trc chia cho tng cng
bc x trung bình trên tt c các hng. Vi nh ngha này, thì theo mt hng cho
trc “h s nh h
ng tng là tng ca các h s nh hng riêng”. Trong h ta
cu, hng tính cc i D
0
vi các thành phn ta
θ
và
φ
ca anten có th c
vit là:
φθ
DDD
+
=
0
(2.11)
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
12
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Trong ó h s nh hng riêng và c biu din bi:
φ
D
θ
D
φθ
θ
θ
π
)()(
4
radrad
PP
U
D
+
=
(2.11a)
φθ
φ
φ
π
)()(
4
radrad
PP
U
D
+
=
(2.11b)
ó,
là cng bc x theo mt hng cho trc ch ph thuc
θ
U
θ
.
là cng bc x theo mt hng cho trc ch ph thuc
φ
U
φ
.
là công sut bc x theo tt c các hng ch ph thuc vào
θ
)(
rad
P
θ
.
là công sut bc x theo tt c các hng ch ph thuc vào
φ
)(
rad
P
φ
.
1.1.2.6. Hệ số tăng ích
Mt n v khác mô t hiu sut ca anten là h s tng ích (G). H s tng ích ca
anten có quan h vi h s nh hng, và là n v dùng tính toán hiu sut ca
anten cng nh kh nng hng tính ca nó. Trong khi h s nh hng ch th hin
c c tính hng tính ca anten.
H s
tng ích c xác nh bng cách so sánh mt công sut bc x ca anten
thc hng kho sát và mt công sut bc x ca anten chun (thng là anten vô
hng) cùng hng và khong cách nh nhau, vi gi thit công sut t vào hai
anten bng nhau, còn anten chun là anten có hiu sut bng 1 (không tn hao).
Cng bc x ca anten ng hng bng vi công su
t t vào anten chia cho
π
4
(do ta gi thit anten chun có hiu sut bng 1, nên công sut bc x bng công sut
t vào anten). Do ó, ta có:
G = 4
Cng bc x ca anten thc ti hng kho sát
Cng bc x ca anten anten vô hng
=>
in
P
U
G
),(
4
φ
θ
π
=
(Không th nguyên)
(2.12)
Tng công sut bc x (P
rad
) có quan h vi tng công sut t vào anten (P
in
) bi:
incdrad
PeP = (2.13)
ó, e
cd
là hiu sut bc x ca anten (không th nguyên). S dng (2.13) bin i
(2.12) thành:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
rad
cd
P
U
eG
),(
4),(
φθ
πφθ
(2.14)
S dng công thc (2.10), ta có:
),(),(
φ
θ
φ
θ
DeG
cd
= (2.15)
Giá tr cc i ca h s tng ích có quan h vi h s nh hng cc i bi:
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
13
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
0
maxmax
0
),(),( DeDeGG
cdcd
===
φθφθ
(2.16)
Cng nh i vi h s nh hng, ta nh ngha h s tng ích riêng (partial gain)
ca anten theo mt phân cc cho trc và mt hng cho trc nh sau: “phn cng
bc x tng ng vi mt phân cc cho trc chia cho tng cng bc x khi
anten bc x ng hng”. Vi nh ngha này, thì theo mt hng cho trc “tng h
s tng ích là tng ca các h s tng ích riêng”. Trong h ta cu, h s tng ích
cc i G
0
theo các thành phn trc giao
θ
và
φ
ca anten có th c vit nh sau,
theo dng tng t nh h s nh hng cc i trong (2.11a) và (211b):
(2.17)
φθ
GGG +=
0
Trong khi các h s tng ích riêng
và c biu din bi:
θ
G
φ
G
in
in
P
U
G
P
U
G
φ
φ
θ
θ
π
π
4
4
=
=
(2.17a)
(2.17b)
Trong ó:
là tng công sut a vào anten.
in
P
θ
U là cng bc x theo mt hng cho trc cha trong thành phn trung .
θ
E
φ
U
là cng bc x theo mt hng cho trc cha trong thành phn trng .
φ
E
Thng thì h s tng ích c biu din theo khái nim dB thay vì không có th
nguyên nh trong công thc (2.16). Công thc tng ng c cho bi:
(2.18) ][log10)(
0100
DedBG
cd
=
1.1.2.7. Băng thông
Bng thông (BW) ca anten c nh ngha nh sau: “khong tn s mà trong ó
hiu sut ca anten tha mãn mt tiu chun nht nh”. Bng thông có th c xem
xét là khong tn s, v hai bên ca tn s trung tâm (thng là tn s cng hng),
ó các c tính anten (chng hn nh tr kháng vào, gin , rng chùm, phân cc,
cp thùy bên, h
s tng ích, hng chùm, hiu sut bc x) t giá tr có th chp
nhn c.
Vi các anten di rng, bng thông thng c biu din là t s ca tn s trên và
tn s di khi anten hot ng vi các c tính có th chp nhn c. Ví d, bng
thông 10:1 ch ra rng, tn s trên ln hn 10 ln tn s
di.
min
max
f
f
BW =
(2.19)
Vi anten di hp, bng thông c th hin bi t l phn trm ca s sai khác tn s
(tn s trên – tn s di) so vi tn s trung tâm ca bng thông. Ví d, bng thông
5% th hin rng, s sai khác tn s là 5% tn s trung tâm ca bng thông.
0
minmax
f
ff
BW
−
=
(2.20)
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
14
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Bi vì các c tính nh tr kháng vào, gin bc x, h s tng ích, phân cc, … ca
anten không bin i ging nhau theo tn s, nên có nhiu nh ngha bng thông khác
nhau. Tùy tng ng dng c th, yêu cu v các c tính ca anten c chn th nào
cho phù hp.
1.1.2.8. Phân cực
Phân cc ca anten theo mt hng cho trc c nh ngha nh sau: “là phân cc
ca sóng c truyn i bi anten. Chú ý: khi không cp ti hng nào, phân cc
c xem là phân cc theo hng có h s tng ích cc i”.
S phân cc ca sóng bc x c th hin bi u mút ca vector in trng tc
thi, và hng mà nó vch theo khi quan sát d
c theo hng truyn sóng. Mt ng
vch theo bi u mút ca vector in trng là hàm ca thi gian c th hin trong
hình 1.10(a) và (b).
(a)
(b)
Hình 1.10. Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian [3]
(a). Sự quay của vector điện trường (b). Phân cực elip ở z = 0
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
15
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Phân cc phân thành 3 loi: thng, tròn và ellip. Nu u mút vector in trng mt
im trong không gian luôn hng theo mt ng thng, trng này c gi là phân
cc tuyn tính. Tng quát, u mút vector in trng vch ra là mt elip, và trng
c gi là phân cc ellip. Phân cc tuyn tính và tròn là trung hp c bit ca phân
cc elip. u mút vector in trng quay theo chiu kim ng h (clockwise, CW)
gi là phân c
c phi và ngc kim ng h (counterclockwise, CCW) gi là phân cc
trái.
Trng tc thi ca sóng phng khi sóng này truyn theo chiu âm trc z, có th c
biu din nh sau:
(2.21)
Các thành phn tc thi có quan h vi các thành phn phc ca nó bi:
(2.22)
(2.23)
ó, E
xo
và E
yo
tng ng là biên cc i ca các thành phn trng theo trc x và
y.
Phân cực thẳng
sóng bc x phân cc thng, lch pha theo thi gian gia 2 thành phn phi là:
(2.24)
Phân cực tròn
Phân cc tròn có th t c ch khi biên ca 2 thành phn là ging nhau, và s
khác pha theo thi gian gia chúng phi bng s l ln
. Tc là:
(2.25)
(2.26)
(2.27)
Nu hng truyn sóng b o ngc (ví d, theo hng +z), các lch pha trong
(2.26) và (2.27) cho hng CW và CCW phi trao i cho nhau.
Phân cực ellip
Phân cc ellip có th t c ch khi lch pha theo thi gian gia 2 thành phn là
mt s l ln
và biên ca chúng không bng nhau hay lch pha gia 2 thành
phn không là bi ca
(không quan tâm n biên ca chúng). ó là:
(2.28)
(2.29)
Hay:
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
16
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
(2.30)
Vi phân cc ellip, ng cong c quét mt v trí cho trc nh mt hàm theo
thi gian, và nói chung nó là mt ellip, nh c ch ra trong hình 1.10(b). T l bán
trc ln và bán trc nh ca ellip c gi là h s trc (axial ratio, AR), và bng vi:
(2.31)
ó:
(2.32)
(2.33)
nghiêng ca ellip, có quan h vi trc y, c th hin bi góc
cho bi:
(2.34)
Khi ellip thng vi các trc chính
trc chính (ph) bng
vi E
x0
(E
yo
) hay E
yo
(E
xo
) và t l trc (AR) bng:
1.1.2.9. Trở kháng vào
Tr kháng vào c nh ngha nh sau: “tr kháng ca anten ti im u vào ca nó
hay t s in áp so vi dòng in ti u vào hay t s ca các thành phn tng ng
ca in trng so vi t trng mt im”. Trong phn này, chúng ta quan tâm ch
yu ti tr kháng vào ti u vào ca anten. T s
in áp trên dòng in u vào
này, không có ti, xác nh tr kháng ca anten nh sau:
Z
A
= R
A
+ jX
A
(2.35)
Trong ó, Z
A
là tr kháng ca anten các u vào (Ohm).
R
A
là in tr ca anten các u vào (Ohm).
X
A
là in kháng ca anten các u vào (Ohm).
Nói chung, thành phn in tr trong (2.35) bao gm 2 thành phn là:
R
A
= R
r
+ R
L
(2.36)
Trong ó, R
r
là tr kháng bc x (radiation resistance) ca anten.
R
L
tr kháng mt mát (loss resistance) ca anten.
Tr kháng vào ca mt anten nói chung là hàm ca tn s. Do ó, anten ch c phi
hp tt vi ng tip in ch trong cùng mt di tn nào ó. Thêm na, tr kháng
vào ca anten ph thuc vào các yu t nh: hình dng ca anten, phng pháp tip
in cho anten, và nh hng ca các i tng bao quanh nó. Do s phc tp ca
chúng, ch mt lng gii hn các anten thc t c nghiên cu và phân tích t m.
Vi các loi anten khác, tr kháng vào c xác nh bng thc nghim.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
17
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
1.2. Đường truyền vi dải và anten vi dải
1.2.1. Đường truyền vi dải
1.2.1.1. Cấu trúc đường truyền vi dải
ng truyn vi di c s dng nhiu nht trong môi trng truyn dn là các mch
tích hp siêu cao tn. ng truyn vi di là cu trúc mch in “cp cao”, bao gm mt
di dn in bng ng hoc kim loi khác trên mt cht nn cách in, mt kia ca
tm in môi cng c ph ng gi là mt phng t. Ta thy mt phng t là mt
phn x. Do ó, ng truyn vi di có th c xem nh là ng truyn gm 2 dây
dn.
Hình 1.11. Cấu trúc của đường truyền vi dải [9]
Có hai tham s chính là rng di dn in W và chiu cao tm in môi h. Mt
tham s quan trng khác là hng s in môi tng i ca cht nn
r
. dày ca di
dn in là t và in dn sut là là các tham s kém quan trng hn và ôi khi có th
b qua.
1.2.1.2. Cấu trúc trường của đường truyền vi dải
Sóng truyn trên ng truyn vi di là sóng có dng gn vi TEM (quasi-TEM). iu
này có ngha rng có mt vài vùng trong ó ch có mt thành phn in trng hoc t
trng theo hng truy
n sóng. Hình 1.12 th hin gin trng in t ca mt
ng truyn vi di c bn.
Hình 1.12. Giản đồ trường của một đường vi dải [9]
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
18
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Trên cu trúc ng vi di, gin quasi-TEM xut hin, bi vì mt tip giáp gia
cht nn in môi và không gian xung quanh là không khí. Các ng sc in trng
không liên tc ti mt tip giáp này. iu kin biên cho in trng là thành phn tip
tuyn ca in trng phi liên tc khi truyn xuyên qua biên; do ó mt cht nn có
hng s i
n môi là 10, thì in trng s gim t ngt 10 ln so vi trong không khí.
Mt khác, thành phn tip tuyn (song song vi b mt di dn in) ca in trng
cng phi liên tc khi xuyên qua biên. Do ó, mt phn nng lng in trng c
lu tr trong không khí và mt phn c lu tr trong in môi. Hng s i
n môi
hiu dng i vi các sóng trên ng truyn nm gia giá tr hng s in môi không
khí và hng s in môi ca cht nn.
1.2.2. Anten vi dải
1.2.2.1. Giới thiệu chung
Khái nim anten vi di ln u tiên c a ra bi Deschamps vào nm 1953, Gutton
và Bassinot vào nm 1955. Tuy nhiên mãi ti tn nm 1972 ngi ta mi i vào ch
to các anten vi di, bi vì thi im này mi xu
t hin cht nn có các c tính tt.
Nh c ch ra trong hình 1.13, anten vi di vi cu hình n gin nht bao gm mt
patch phát x nm trên mt mt ca cht nn in môi (
r
<=10), mt kia ca cht nn
là mt phng t. Patch là vt dn in, thông thng là ng hay vàng, có th có hình
dng bt k, nhng các hình dng thông thng nói chung c s dng nhiu.
Hng s in môi ca cht nn óng vai trò quan trng nht i vi hot ng ca
anten. Nó nh hng n tr kháng c tính, tn s cng hng, b
ng thông và hiu
sut ca anten.
Hình 1.13. Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất [7]
Ưu điểm của anten vi dải
¾ Trng lng nh, kích thc nh, có cu trúc phng nên d dàng ch to.
¾ Giá thành sn xut thp, phù hp cho nhiu ng dng.
¾ D dàng c gn lên các i tng khác.
¾ Có th to ra các phân cc tròn, tuyn tính ch n gin bng cách thay i
phng pháp ti
p in.
¾ D dàng ch to các anten có th hot ng vi nhiu di tn.
¾ Mng phi hp tr kháng và ng tip in có th c in cùng vi cu trúc
anten.
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
19
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Nhược điểm của anten vi dải
¾ Bng thông nh (ch ~ 0.5 ti 10%).
¾ Hu ht anten vi di bc x trong na không gian.
¾ Gii hn tng ích cc i (~ 20 dB).
¾ Hiu sut bc x kém.
¾ Xut hin các sóng mt.
¾ Công sut cho phép thp.
1.2.2.2. Một số loại anten vi dải cơ bản
Anten patch vi dải
Anten có patch vi di (microstrip patch antenna, MPA) bao g
m mt patch dn in có
hình dng phng hay không phng trên mt mt ca mt cht nn in môi, và mt
phng t trên mt còn li ca cht nn. Các cu hình c bn mà c s dng trong
thc t c ch ra trong hình 1.14(a).
Hình 1.14 (a). Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được sử dụng trong
thực tế [7]
Hình 1.14 (b). Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải [7]
Sinh viên: Lưu Văn Hoan Lớp K49 Thông tin vô tuyến
20
