đề tài tốt nghiệp thiết kế ăngten mạch dải

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay chúng ta đang sống trong thời kì đất nước đi lên hiện đại hoá –
công nghiệp hoá. Thời kì của khoa học kĩ thuật phát triển như vũ bão, thời kì
của sự giao lưu mọi mặt trong mọi lĩnh vực của các quốc gia trên thế giới với
nhau vì vậy chúng ta cần tiếp cận và sử dụng thông tin có giá trị về mặt thời
gian và có chất lượng. Sức cạnh tranh của các ngành công nghiệp bắt nguồn
từ việc tái tạo các giá trị và sản phẩm lớn hơn, trong đó việc thông tin liên lạc
đóng vai trò cốt lõi cho sự phát triển của xã hội.
Hiện nay thông tin đã xuất hiện nhiều hình thức và phương tiện, song
thông tin vô tuyến điện luôn giữ vai trò quan trọng. Trong đó ăngten là một
thiết bị không thể thiếu đối với bất kì hệ thống thông tin vô tuyến điện nào.
Ăngten là một thiết bị bức xạ sóng điện từ hoặc thu sóng điện từ từ không
gian bên ngoài. Ăngten được mắc trực tiếp hoặc gián tiếp với phide mạch ra
của máy phát hoặc mạch vào của máy thu. Được sử dụng vào các mục đích
khác nhau như thông tin chuyển tiếp radar, vô tuyến điều khiển yêu cầu
ăngten có tính định hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một
góc rất hẹp trong không gian. Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền
hình thì ăngten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất).
Trong những năm gần đõy, ăngten mạch dải được tập trung nghiên cứu
nhiều và đã đạt được nhiều thành tựu cả trong công nghệ và thực tiễn, nhất là
trong lĩnh vực thông tin vô tuyến di dộng, thông tin vô tuyến mạng cục bộ
WLAN ở dải siêu cao tần. Và ăngten mạch dải tỏ ra là một loại ăngten có
nhiều tiện lợi và hiệu quả.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và hướng dẫn của thầy Đại tá – Tiến
sĩ HOÀN ĐèNH THUYấN chọn đề tài đồ án: “Thiết kế ăngten mạch dải”.
Mục đích nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình
tính toán ăngten mạch dải, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng và tham số
của ăngten.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
1

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô ở khoa Vô tuyến
điện tử, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy Đại tá – Tiến sĩ HOÀNG
ĐèNH THUYấN em đã hoàn thành đồ án này.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử,
cảm ơn thầy Đại tá – Tiến sĩ Hoàng Đỡnh Thuyờn đó chỉ bảo và hướng dẫn tận
tình em trong quá trình học tập tại trường và trong quá trình làm đồ án.
Sau đây em xin trình bày nội dung đồ án này.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
2
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
PHẦN I
ĐẶC TRƯNG VÀ THAM SỐ CỦA ĂNGTEN
Ăngten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ
không gian bên ngoài. Ăngten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất
kì hệ thống vô tuyến điện nào bởi vì trong hệ thống vô tuyến điện có sử dụng
sóng điện từ. Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản gồm máy phát, máy
thu, ăngten phát và ăngten thu. Hình dưới mô tả sơ đồ khối của hệ thống
thông tin vô tuyến một chiều:
a. Hệ thống phát b. Hệ thống thu
Theo hình vẽ dao động điện từ đã được điều chế do máy phát tạo ra
truyền tới ăngten phát. Ăngten phát sẽ biến đổi năng lượng của dao động điện
từ dưới dạng sóng liên kết thành năng lượng sóng điện từ tự do và bức xạ vào
không gian theo hướng tới máy thu. Một phần năng lượng này sẽ tới ăngten
thu của hệ thống thu va được biến đổi thành năng lượng của dao động điện từ
xuất hiện trong ăngten thu. Dao động điện từ này được đưa tới máy thu.
Trên hình vẽ sau mô tả sơ đồ khối của Radar. Trong trường hợp này sóng
điện từ phát xạ bởi ăngten phát 2 truyền trong một chum tia hẹp tới mục tiêu 3

Cao Thành Trung_ĐTVT K11
Ăngten phát
Hệ thống
cung cấp
tín hiệu
Hệ thống
bức xạ
Máy phát
Thiết bị
điều chế
Ăng ten thu
3
Hệ thống
cảm thụ
bức xạ
Hệ thống
gia công
tín hiệu
Máy thu
Thiết bị
xử lý
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Một phần năng lượng của sóng phản xạ từ mục tiêu quay trở lại ăngten
thu 4(đặt gần ăngten phát) kích thích trong ăngten thu một dao động điện từ
và được đưa tới lối vào của máy thu 5.
Từ những mô hình trên ta có thể định nghĩa như sau:
- Ăngten phát là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dao động
điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành năng lượng của sóng điện từ tự do
và phát xạ vào không gian theo một quy luật xác định.
- Ăngten thu là thiết bị dùng để thu năng lượng của sóng điện từ tự do

từ không gian bên ngoài tới theo một quy luật xác định và biến đổi năng
lượng này thành năng lượng của dao động liên kết trong ăngten va cung cấp
cho máy thu.
Như vậy ăngten phát cũng như thu đều có quá trình biến đổi năng lượng.
Trong quá trình đú cú sự tổn hao nhiệt do kim loại làm ăngten cũng như các
chất điện môi cách điện không phải là lý tưởng.
Ngoài ra ta còn thấy rằng khi phát cũng như thu ăngten phải có tính định
hướng xác định phù hợp với yêu cầu của hệ thống vô tuyến đó. Ăngten được
ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, vô
tuyến điều khiển từ xa,… Mặt khác để kích thích sóng điện từ trong các hệ
thống định hướng như ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng,… người ta cũng dựng
cỏc kết cấu tương tự ăngten.
Ngày nay, sự phát triển kĩ thuật trong các lĩnh vực radar, thông tin, điều
khiển,… cũng đòi hỏi ăngten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay
thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.
Tất cả các chỉ tiêu kĩ thuật của ăngten có thể chia thành 2 nhóm phù hợp
với 2 nhiệm vụ cơ bản của ăngten:
- Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự do phát xạ vào
không gian và ngược lại.
- Phát xạ có hướng hay thu có hướng sóng điện từ
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
4
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Toàn bộ các bài toán xác định các chỉ tiêu kĩ thuật(cỏc tham số và đặc
trưng) của ăngten có thể được chia làm 2 nhóm:
- Nhóm 1: gồm các bài toán tính trường trong vùng gần, việc giải bài
toán này cho phép xác định các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến
đổi của ăngten như: trở vào, hiệu suất, dải tần công tác, công suất cực đại cho
phép.
- Nhóm 2: gồm các bài toán tính trường trong vùng xa. Việc giải bài toán

này ta có thể xác định được những chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính định
hướng của ăngten và trường của ăngten trong vùng xa như: đặc trưng hướng, đặc
trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất bức xạ.
Ta có thể hiểu vùng xa của ăngten là vùng không gian bao gồm các điểm
cách đủ xa ăngten sao cho tại đó chỉ tồn tại sóng tự do bức xạ từ ăngten ra
phía vô cực. Tại vùng này không tồn tại năng lượng vụ cụng liên kết với
ăngten, phần năng lượng này chỉ định vị trong vùng gần ăngten.
Giả sử ăngten có kích thước là chiều dài L, khi đó một điểm cách ăngten
một khoảng r được xem là thuộc vùng xa thì phải thoả mãn điều kiện:
r ằ λ và r ằ
Ở đây: r _ khoảng cách đến điểm quan sát
λ _ bước sóng
1.1. Đặc trưng hướng của ăngten
Từ lý thuyết trường ta đã biết: biên độ phức của cường độ trường của
một nguồn phát xạ sóng điện từ tại một điểm tuỳ ý trong vùng xa có thể viết
dưới dạng sau:
Ё = f .e
j
.e
-jkr
(1.1)
Trong đó: r, θ, φ là các toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ hình
cầu: hình 1.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
5
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
k = là số sóng
I
A
là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên ăngten

f(θ,φ).e
j (θ,φ)
= (θ,φ) là một hàm phức phụ thuộc vào cấu
trúc của ăngten; (θ,φ) là pha của trường.


Hình 1. Đặc trưng hướng của ăngten
Định nghĩa: Hàm f(θ,φ), tức mô đun của hàm (θ,φ) xác định sự phụ
thuộc của biên độ cường độ trường của ăngten tại các điểm nằm trong vùng
xa và cách đều ăngten vào hướng quan sát được gọi là đặc trưng hướng của
ăngten.
Biểu diễn hình học của đặc trưng hướng trong không gian của ăngten là
một mặt cầu kín do đầu mút của bán kính vectơ trong hệ toạ độ cầu vẽ nên.
Bán kính vectơ cú mụdun tỉ lệ với biên độ cường độ điện trường. Trong thực
tế thường gặp các đặc trưng hướng có dạng đặc biệt như:
- Đặc trưng hướng có dạng hình xuyến (hình 2.a)
- Đặc trưng hướng có dạng hình kim (hình 2.b)
- Đặc trưng hướng có dạng hình quạt (hình 2.c)
- Đặc trưng hướng có dạng hình cosecant (hình 2.d)
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
6
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải


Hình 2. Một số dạng đặc trưng hướng
Trường hợp ăngten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn dưới dạng
tổng của 2 trường phân cực tuyến tính. Các vectơ điện của 2 trường này E
θ
.
và E

φ
. vuông góc nhau va lệch pha nhau một góc δ.
Do đó đối với các ăngten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng
theo thành phần θ và thành phần φ: f
θ
(θ,φ) và f
φ
(θ,φ)
Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các ăngten khác nhau, người ta
đưa vào khái niệm đặc trưng hướng chuẩn hoá. Đó là tỉ số giữa giá trị của đặc
trưng hướng f(θ,φ) theo hướng bất kì với giá trị cực đại f
max
của nó.
F(θ,φ) = (1.2)
*) Các phương pháp mô tả đặc trưng hướng:
- Đặc trưng hướng không gian (biểu diễn không gian của hàm f(θ,φ))
không tiện cho việc mô tả tính định hướng của ăngten, vì thế người ta thường
dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng trên mặt phẳng. Ta gọi giao tuyến
của đặc trưng hướng không gian với các mặt phẳng đi qua hướng phát xạ cực
đại là đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng). Từ nay nói tới đặc trưng
hướng ta sẽ hiểu đó là đặc trưng hướng phẳng.
Người ta thường mô tả đặc trưng hướng trong 2 mặt phẳng vuông góc
(hình 1.3)

Hình 1.3 Hình 1.4
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
7
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa vectơ gọi là mặt
phẳng E

Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa vectơ gọi là mặt
phẳng H
Có thể vẽ đặc trưng hướng trong toạ độ cực hoặc toạ độ vuông góc. Đặc
trưng hướng vẽ trong toạ độ cực cho ta thấy được tính định hướng của ăngten
một cách trực quan nhất, còn đặc trưng hướng trong toạ độ vuông góc có thể
biểu diễn chính xác hơn.
Thông thường đặc trưng hướng có một số cực đại, ta nói đặc trưng
hướng có nhiều cỏnh súng (hỡnh 1.4). Cỏnh cú hướng phát xạ cực đại với
cường độ lớn nhất gọi là cỏnh chớnh, cỏc cỏnh còn lại gọi là cánh phụ (hoặc
cánh bến). Nếu cánh phụ có cực đại ngược chiều với cỏnh chớnh gọi là cỏnh
súng sau.
Ngoài đặc trưng hướng theo cường độ trường, người ta cũn dựng đặc trưng
hướng tính theo công suất F
p
(θ,φ). Hàm F
p
(θ,φ) mô tả sự phụ thuộc của mật độ
dòng công suất tại các điểm cách đều ăngten vào hướng quan sát (hình 1.5a)
Hình 1.5. Đặc trưng hướng theo decibel
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
8
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Vì mật độ dòng công suất tỉ lệ với bình phương của cường độ điện
trường nên: F
p
(θ,φ) = F
2
(θ,φ) (1.3)
Người ta còn có thể biểu diễn đặc trưng hướng theo decibel (hình 1.5b).
Với cách biểu diễn này mức của các cánh phụ nhỏ có thể được đánh giá trực

quan dễ hơn: F
db
(θ,φ) = 10lgF
p
(θ,φ) = 20lgF(θ,φ) (1.4)
Người ta gọi góc mở cỏnh súng chớnh theo mức nửa công suất (2θ
0,5
) là
góc giữa 2 phương ứng với giá trị F
p
(θ,φ) = 0,5 hay F = 0,707.
Từ (1.4) ta có: 2θ
0,5
= 2θ
-3db
(1.5)
Ăngten có đặc trưng hướng hình xuyến là ăngten vô hướng (trong một
mặt phẳng) thường được dùng trong vô tuyến truyền tin, phát thanh, …
Ăngten với đặc trưng hướng hình kim có tính định hướng gần như nhau
trong 2 mặt phẳng chính (mặt phẳng E và mặt phẳng H). Các ăngten này
thường được dùng trong các đài Radar để theo dõi mục tiêu trong cả 2 toạ độ
góc. Ngoài ta chỳng cũn được dùng trong thông tin viba, vô tuyến thiên văn,
…
Ăngten có đặc trưng hướng hình quạt có mức độ định hướng khác nhau
trong 2 mặt phẳng chính và nó thường được dùng để xác định 1 toạ độ góc
của mục tiêu trong kĩ thuật Radar.
1.2. Đặc trưng pha của ăngten
Đặc trưng pha của ăngten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong vùng
xa mà tại đó vectơ cường độ trường có cùng một giá trị pha.
Ta cho biểu thức pha của cường độ trường trong (1.1) bằng hằng số:

Ф(θ,φ) - kr(θ,φ) = const
Từ đây ta tìm được biểu thức của đặc trưng pha:
r(θ,φ) =
Giá trị của const trong biểu thức này được xác định từ điều kiện: r = r
0
khi (θ,φ) = (0,0). Do đó:
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
9
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Ф(0,0) – kr
0
= const
r(θ,φ) = r
0
+ (1.6)
Với (θ,φ) - (0,0) = Δ (θ,φ)
Nếu biểu thức (1.6) biểu diễn một mặt cầu thì có thể xem ăngten như là
một nguồn phát xạ điểm. Tâm của mặt cầu gọi là tâm phát xạ hay tâm pha.
Trường hợp tổng quát đặc trưng pha không phải là mặt cầu và do đó
ăngten không có tâm pha xác định. Cơ thể chứng minh được rằng các ăngten
dây (chẳng hạn chấn tử) cú tõm pha nằm ở chính giữa ăngten chỉ trong trường
hợp nếu phân bố biên độ của dũng trờn ăngten là hàm chẵn đối với điểm giữa
và phân bố pha là không đổi hoặc là hàm lẻ so với điểm giữa của ăngten.
Trong trường hợp ăngten không có tâm pha, ta có thể tiệm cận từng phần
của mặt phẳng pha bằng các mặt cầu. Như vậy đối với mỗi phần ta có một
tâm pha. Tập hợp cỏc tõm pha ứng với tất cả các khoảng có thể nằm trong
một miền nào đó quanh chỗ đặt ăngten. Người ta thường biểu diễn hàm đặc
trưng pha trong các mặt phẳng chính E và H.
Trong không gian mỗi khi qua hướng phát xạ 0, pha của trường lại thay
đổi đột ngột 180

0
. Vì thế đặc trưng pha phẳng của ăngten có nhiều cỏnh sóng
có những chỗ nhảy bậc (hình 1.6. Đặc trưng pha của ăngten).
1.3. Đặc trưng phân cực của ăngten
Trường của ăngten tại mỗi điểm trong vùng xa không chỉ được đặc trưng
bởi biên độ và pha mà cả sự phân cực nữa, tức là hướng dao động của vectơ
cường độ trường theo thời gian.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
10
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa phương truyền sóng và vectơ
cường độ điện trường. Sự phân cực của trường được xác định bởi loại ăngten
và vị trí của nó trong không gian. Ví dụ trường của một ăngten dây thẳng là
trường phân cực tuyến tính, tức là ở tại điểm quan sát vectơ định hướng
dọc theo một đường thẳng. Nói khác đi, đầu mút của vectơ dao động trên
một đường thẳng. Chấn tử đặt thẳng đứng trên mặt đất sẽ bức xạ sóng phân
cực đứng (vectơ nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt đất – mặt phẳng
đứng), chấn tử ngang bức xạ sóng phân cực ngang.
Trong trường hợp tổng quát trường có đặc trưng phân cực elip, có thể
xem nó là tổng của 2 trường phân cực tuyến tính có các vectơ điện và
vuông góc nhau và lệch pha nhau một góc nào đó. Khi đó đầu mút của
vectơ tổng vẽ trong không gian một hình elip sau một chu kì dao động. Xét tại
một điểm trong không gian, elip này nằm trong mặt phẳng vuông góc với
phương truyền như hình 1.7
Hình 1.7. Elip phân cực trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng
Dưới đây ta sẽ chứng minh điều đó: giả sử cho trước giá trị tức thời của
cường độ điện trường:
(1.7)
Từ biểu thức trên ta có: sinωt = (1.8)
Thay (1.8) vào (1.7) ta có:

Cao Thành Trung_ĐTVT K11
11
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
(1.9)
Chuyển thừa số trong (1.9) sang vế trái, sau đó bình phương cả
2 vế ta được:
(1.10)
Biểu thức (1.10) là phương trình tổng quát của elip. Tuỳ theo giá trị của
δ, E
θ
, E
φ
dạng của elip phân cực và vị trí của nó trong không gian có thể khác
nhau. Ví dụ:
- Khi δ = nπ (n: là số nguyên) trường phân cực tuyến tính
- Khi δ = và E
θ
= E
φ
trường phân cực tròn.
Để đánh giá tính phân cực ta đưa ra khái niệm về hệ số phân cực và đặc
trưng phân cực.
- Hệ số phân cực: tỉ số giữa bán trục nhỏ và bán trục lớn của elip gọi là
hệ số phân cực và kí hiệu là
- Đặc trưng phân cực: sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào hướng tới
điểm quan sát gọi là đặc trưng phân cực của ăngten: p = p(θ,φ)
Ta có công thức tính hệ số phân cực:
(1.11)
Với . Từ đây ta thấy khi trường phân cực tuyến tính (δ = nπ) thì p
= 0. Khi trường phân cực tròn (δ = ) thì p = 1. Trong trường hợp

tổng quát 0 < p < 1 thì trường phân cực elip.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
12
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
1.4. Công suất phát xạ và hệ số tác dụng định hướng
Để đánh giá giá trị định lượng tổng hợp tính chất định hướng của ăngten,
người ta đưa ra tham số gọi là hệ số tác dụng định hướng của ăngten.
Hệ số tác dụng định hướng (kí hiệu là D) chỉ rõ phải tăng công suất phát
xạ của ăngten lên bao nhiêu khi thay ăngten định hướng đó bằng một ăngten
vô hướng (giả định) sao cho vẫn giữ được giá trị cường độ trường tại điểm thu
không đổi (hình 1.8). Cũng có thể gọi hệ số tác dụng định hướng là độ tăng
ích về công suất phát xạ do tính định hướng của ăngten.
(1.12)


Hình 1.8. Cường độ trường tại điểm thu không đổi
Theo (1.1) biên độ cường độ trường của ăngten định hướng trong vùng
xa được xác định bằng biểu thức tổng quát:
E
dh
= (1.13)
Mật độ dòng công suất (giá trị biên độ của vectơ poyting) theo hướng đó:
Π(θ,φ) = (1.14)
Công suất phát xạ của ăngten định hướng trong toàn không gian:
P
Σdh
=
Trong hệ toạ độ cầu dS = r2sinθd
θ
d

φ
, thay (1.13) và (1.14) ta có:
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
13
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
P
Σdh
= (1.15)
Đối với ăngten vô hướng: P
Σvh
=
Với điều kiện E
dh
= E
vh
(trong định nghĩa (1.12)) thì:
P
Σvh
= (1.16)
Thay (1.15) và (1.16) vào (1.12) ta có:
D(θ,φ) = (1.17)
Chia tử và mẫu số của vế phải cho ta có:
D(θ,φ) = (1.18)
Biểu thức (1.18) chỉ ra sự liên hệ giữa hệ số tác dụng định hướng và đặc
trưng hướng. Từ hệ thức này ta thấy: hệ số tác dụng định hướng chỉ phụ thuộc
vào đặc trưng hướng của ăngten và giá trị có giá trị cực đại theo hướng phát
xạ cực đại (F
max
(θ,φ) = 1)
D

max
= (1.19)
Hệ số tác dụng định hướng của ăngten theo hướng bất kì có thể xác định
theo công thức:
D(θ,φ) = D
max
F
2
(θ,φ) (1.20)
Trong một số trường hợp người ta còn định nghĩa: hệ số tác dụng định
hướng là tỉ số của bình phương cường độ trường do ăngten định hướng tạo ra
tại điểm quan sát trong vùng xa với bình phương cường độ trường do ăngten
vô hướng tạo ra cũng tại điểm đó, nếu công suất phát xạ của 2 ăngten như
nhau.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
14
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Vậy: D(θ,φ) = (1.21)
Nếu đặc trưng hướng của ăngten có tính đối xứng trục tức là không phụ
thuộc φ. Khi đó, từ (1.15) ta có:
D
max
= (1.22)
Có thể xác định D
max
theo công thức gần đúng sau:
D
max
= (1.23)
Ở đây: (2 )

E,H
là độ rộng cỏnh súng tớnh theo mức nửa công suất, tính
bằng độ, trong 2 mặt phẳng chính.
A = 35000 ữ 45000 là hệ số phụ thuộc vào dạng của đặc trưng
hướng.
Hiện nay người ta có thể chế tạo được các ăngten có tính định hướng rất
cao D
max
cỡ 10
6
ữ 10
7
. Các chấn tử nguyên tố thường có D nhỏ, chẳng hạn
lưỡng cực Hertz có F(θ,φ) = sinθ và D
max
= 1,5. Trong thực tế không có nguồn
phát xạ nào hoàn toàn vô hướng với D
max
= 1.
1.5. Trở phát xạ của ăngten
Khi giải bài toán về sự phát xạ của ăngten được làm từ các dây dẫn mảnh
cú dũng I
A
người ta thường đưa vào khái niệm trở phát xạ của ăngten. Nếu
xem ăngten là một giải phức: Z
Σ
= R
Σ
+ jX
Σ

Tiêu thụ công suất của máy phát và biến công suất này thành năng lượng
phát xạ vào không gian, thì công suất phát xạ vào không gian bằng:
P
Σ
= (1.24)
Trong đó: R
Σ
được gọi là trở phát xạ của ăngten. So sánh (1.24) với
(1.15) ta có:
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
15
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
R
Σ
= (1.25)
Ví dụ: xác định trở phát xạ của ăngten lưỡng cực Hertz có chiều dài l. Từ
lý thuyết trường ta có biên độ cường độ trường của lưỡng cực Hertz có thể
xác định theo biểu thức:
E = (1.26)
Vì vậy:
f(θ,φ) = (1.27)
Thay (1.27) vào (1.25) ta có:
R
Σ
= (1.28)
Vậy ăngten dây chỉ phát xạ năng lượng đáng kể khi kích thước không
quá nhỏ so với bước sóng. Từ (1.28) ta thấy RΣ vào vị trí thiết diện tớnh dũng
IA. Người ta thường tính theo dòng tại điểm bụng Ib. Nếu biết quy luật phân
bố dòng IA = I(z) trên ăngten thì có thể tính được trở phát xạ đối với dòng
I(z) tại thiết diện bất kì theo trở phát xạ tại điểm bụng. Từ đẳng thức về công

suất phát xạ:

(1.29)
Giá trị RΣ(z) được xác định bởi trường của ăngten trong vùng xa, bởi đặc
trưng phân bố dòng hay điện áp trên ăngten, và phụ thuộc vào tỉ số kích thước
của ăngten trên bước sóng λ.
Trong điều kiện lý tưởng (không có nhiễu, năng lượng phát xạ không bị
hấp thụ trên đường truyền sóng), khi biết các giá trị của ăngten phát như PΣ,
Dmax, F(θ,φ) ta có thể tính được cự ly truyền sóng theo giá trị E(θ,φ). Từ đây
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
16
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
ta đi tìm công thức truyền sóng lý tưởng (truyền sóng trong không gian tự
do): theo (1.13)
E(θ,φ) =
Từ (1.24):
I
A
=
So sánh (1.17) và (1.25) ta có:
D(θ,φ) =
Theo (1.20):
D(θ,φ) = D
max
F
2
(θ,φ)
Suy ra:
f(θ,φ) =
Vậy ta có:

E(θ,φ) =
E(θ,φ) = (1.30)
Biểu thức này là công thức truyền sóng lý tưởng (sự truyền sóng trong
không gian tự do), biểu thức này còn cho ta quan hệ giữa cường độ trường và
công suất phát xạ của một ăngten khi biết D
max
và đặc trưng hướng của nó.
Công thức trên chỉ ra rằng việc tăng hệ số tác dụng định hướng tương đương
với việc tăng công suất phát xạ.
1.6. Hiệu suất và hệ số khuếch đại
Phần lớn công suất đưa vào ăngten được phát xạ ra không gian và tạo
nên một phân bố cường độ trường xác định trong không gian thuộc vùng xa.
Nhưng có một phần công suất bị tiêu hao (chủ yếu dưới dạng nhiệt năng)
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
17
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
ngay trên ăngten và các vật thể bao quanh nó. Mức độ sử dụng công suất đưa
vào ăngten được xác định bằng hiệu suất của ăngten.
Hiệu suất η
A
của ăngten: là tỉ số giữa công suất do ăngten phát xạ P
Σ
(công suất hữu ích) và công suất đưa vào P
A
(gồm công suất phát xa P
Σ
và
công suất tiêu hao P
th
).

η
A
= với P
A
= P
Σ
+ P
th
(1.31)
Đối với các đa số ăngten siêu cao tần ηA ≈ 0,9. Để đánh giá mức độ tăng
ích công suất do tính định hướng và chú ý tới sự tiêu hao trên ăngten, người ta
đưa ra khái niệm hệ số khuếch đại G trên ăngten.
Hệ số khuếch đại G: là tỉ số giữa công suất phát xạ của ăngten vô hướng
P
Σvh
và công suất đưa vào ăngten định hướng P
Adh
, với điều kiện các ăngten
cùng tạo ra một giá trị cường độ điện trường tại điểm quan sát.
G = (1.32)
G = = = D. η
A
(1.33)
Như vậy hệ số khuếch đại luôn nhỏ hơn hệ số tác dụng định hướng. Chỉ
trong trường hợp lý tưởng η
A
= 1 thì G = D. Hệ số khuếch đại đặc trưng cho
sự tăng ích về công suất một cách đầy đủ hơn so với hệ số tác dụng định
hướng vỡ nó đánh giá được cả tính định hướng lẫn khả năng biến đổi năng
lượng của ăngten (tức khả năng biến đổi năng lượng liên kết thành năng

lượng phát xạ). Người ta thường quan tâm nhiều nhất tới hệ số khuếch đại
theo phương phát xạc cực đại G
max
, vì vậy từ này ta hiểu G chính là giá trị
G
max
.
1.7. Chiều dài hiệu dụng của ăngten
Trong thời kì đầu của sự phát triển kĩ thuật ăngten người ta đưa vào khái
niệm chiều dài hiệu dụng để đánh giá mức độ định hướng của các ăngten dây.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
18
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Chiều dài hiệu dụng của một ăngten dây: là chiều dài của một lưỡng cực
Hertz (có phân bố dòng đều) cú dũng bằng dòng tại điểm bụng I
b
của ăngten
dây và cho cùng một giá trị cường độ điện trường theo hướng phát xạ cực đại
tại điểm quan sát như ăngten dây.
Từ (1.26) ta có trường theo hướng phát xạ cực đại của lưỡng cực Hertz là:
E
max
= (1.34)
Từ (1.30) ta có trường theo hướng phát xạ cực đại của ăngten dây là:
E
max
= (1.35)
Từ 2 biểu thức trên suy ra:
λ
hd

= = (1.36)
Ý nghĩa của việc đưa khái niệm l
hd
là ta đã thay ăngten thực với chiều dài
l có phân bố dòng không đều bằng một ăngten có chiều dài l
hd
có phân bố
dòng đều.

Hình 1.9. Chiều dài hiệu dụng của ăngten
Từ (1.34) ta thấy cường độ trường của lưỡng cực Hertz tỉ lệ với đại lượng:
S
i
= I
b
.l
hd
Ta gọi S
i
là diện tích dòng. Với ăngten có phân bố dòng không đều thì:
S
i
=
Từ 2 biểu thức này, ta tính được l
hd
theo phân bố dòng
λ
hd
= (1.37)
Cao Thành Trung_ĐTVT K11

19
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Khái niệm l
hd
chỉ có ý nghĩa đối với các ăngten tương đối ngắn so với λ,
khi mà hàm phân bố dòng I
z
không đổi dấu trên suốt chiều dài l.
1.8. Trở vào của ăngten
Lối vào của ăngten là thiết diện mà tại đó kết thúc đường dây phide, ta đã
biết ăngten phát là tải của phide, nó được đặc trưng bởi công suất thuần, công
suất kháng, công suất giới hạn và trở vào.
Trở vào của ăngten là tỉ số giữa điện áp và dòng tại lối vào của ăngten:
Z
v
= = R
v
+ jX
v
(1.38)
Cần phải biết trở vào của ăngten để thực hiện sự phối hợp với phide. Từ
lý thuyết đường dây ta biết: để phối hợp trở kháng giữa ăngten và phide có trở
sóng ρ
f
cần thoả mãn điều kiện: R
v
= ρ
f
, X
v

= 0
Công suất ăngten tiêu thụ gồm công suất phát xạ và công suất tiêu hao.
Tương tự như trở phát xạ, ta cũng đưa vào khái niệm trở tiêu hao R
th
, trở này
tiêu tán công suất tiêu hao. Do đó:
P
A
= và R
v
= R
Σv
+ R
thv
Vì:
η
A
= nên η
A
=
Như vậy thành phần hoạt của trở vào gồm trở phát xạ và trở tiêu hao tính
ở lối vào của ăngten. Nếu ăngten có hiệu suất cao thì R
v
≈ R
Σv
. Theo quan
điểm xét chế độ hoạt động của phide thì R
Σv
tương đương với thành phần hoạt
của trở tải phide. Nhưng về bản chất R

Σv
chỉ thuần tuý là một tải điện động
tương đương. Nó phản ánh kết quả tương tác ngược của trường phát xạ trong
vùng xa lên ăngten. Trong khi đó thì để tính trở tiêu hao R
th
ta cần phải biết
giá trị trường hoặc dòng ngay trên ăngten.
Nguyên nhân tồn tại thành phần kháng X
v
của trở vào chính là do sự tồn
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
20
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
tại công suất kháng dao động giữa ăngten và trường trong vùng gần. Giá trị
công suất kháng phụ thuộc rất nhiều vào dạng mặt dẫn của ăngten. Để tính X
v
ta cần phải biết cấu trúc trường của ăngten trong vùng gần. Bài toán tìm X
v
phức tạp nên người ta hay xác định X
v
bằng thực nghiệm.
Đối với các ăngten được nuôi bằng ống dẫn sóng (ăngten siêu cao tần)
thì có thể tính trở vào qua hệ số phản xạ. Từ lý thuyết đường dây ta có công
thức tính hệ số phản xạ:
Г =
Do đó:
Z
v
’
= = (1.40)

Ở đây Z
v
’
là trở vào chuẩn hoá của ăngten.
1.9. Dải tần công tác của ăngten (dải thông)
Sóng điện từ được phát xạ hoặc thu về bởi ăngten là những dao động
điện từ đã biến điện. Mọi dao động biến điện đều có một phổ tần nào đó. Do
vậy để đánh giá khả năng làm việc của ăngten khi tần số thay đổi như thế nào,
người ta đưa ra khái niệm dải tần công tác (hay dải thông).
Dải thông của ăngten là dải tần mà trong đó sự thay đổi các chỉ tiêu kĩ
thuật cơ bản của ăngten (các tham số và đặc trưng) theo tần số không vượt
quá một phạm vi cho phép.
Dải thông của ăngten được xác định bởi đặc trưng tần số của nó. Đặc
trưng tần số là sự phụ thuộc của các chỉ tiêu kĩ thuật vào tần số. Đối với các
ăngten dõy thỡ đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của biên độ dòng ở lối vào
vào tần số khi điện áp trên lối vào không đổi: I
v
= I
v
(ω).
Để độ méo tín hiệu nằm trong phạm vi cho phép, người ta quy ước dòng
ở lối vào phải không thay đổi quá giá trị 3dB so với giá trị cộng hưởng (I
max
).
Tức là:
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
21
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải

Hình 1.10. Dải thông của ăngten
Chính sự phụ thuộc của trở vào vào tần số quyết định sự thay đổi của
dòng theo tần số khi u
v
= const.
I
v
(ω) =
Đối với các ăngten siêu cao tần (khi đó người ta không sử dụng khái
niệm dòng ở lối vào) thì đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của hệ số sóng chạy
hoặc hệ số sóng đứng vào tần số. Hoặc là sự phụ thuộc của đặc trưng hướng
hay hệ số tác dụng định hướng vào tần số.
Yêu cầu về độ rộng dải thông tuỳ thuộc vào điều kiện sử dụng ăngten.
Nếu độ rộng dải thông không quá vài phần trăm tần số trung bình thì ăngten
được gọi là dải thông hẹp, còn độ rộng dải thông bằng vài chục phần trăm
hoặc lớn hơn thì gọi là dải thông rộng.
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
22
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
PHẦN II
TỔNG QUAN VỀ ĂNGTEN MẠCH DẢI
2.1. Giới thiệu chung
Ăngten mạch dải được quan tâm đáng kể nhất bắt đầu vào năm 1970,
mặc dù ý tưởng của ăngten mạch dải được phác hoạ từ năm 1953 và nhận
bằng phát minh vào năm 1955. Ưu điểm lớn nhất của ăngten mạch dải là
trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và dễ chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ
mạch in. Trong những năm gần đây ăngten mạch dải đã được nghiên cứu khá
nhiều, cả về lý thuyết và kĩ thuật và đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về
mặt công nghệ và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Nó là loại ăngten có
nhiều tiện lợi và hiệu quả.

Cấu tạo chung: Mỗi phần từ ăngten mạch dải gồm các phần chính là:
- Phiến kim loại (tấm patch)
- Lớp đế điện môi (chất nền)
- Màn chắn kim loại
- Bộ tiếp điện

Hình 2.1. Cấu tạo của ăngten mạch dải cơ bản
Với: W_độ rộng tấm patch
L_chiều dài tấm patch
h_độ dày của lớp đế điện môi
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
23
h
Lớp đế điện môi Màn chắn kim loại
Tấm patch
L
W
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải
Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu
tương tự như một mảng của mạch in, vì thế ăngten mạch dải còn có tên gọi là
ăngten mạch in. Màn chắn kim loại có tác dụng như mặt đất, phiến kim loại
có chức năng phát xạ.
Các thông số cấu trúc cơ bản của một ăngten mạch dải là chiều dài L,
chiều rộng W của tấm patch, độ dày h và hằng số điện môi ε
r
của lớp đế điện
môi. Phần tử ăngten mạch dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền mạch
dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại) hoặc
dựng cỏp đồng trục, có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với
màn chắn. Tuỳ thuộc vào hình dạng phiến kim loại và các thông số hình học,

ta cú cỏc loại ăngten khác nhau. Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng
nhất với hoạt động của ăngten. Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số
cộng hưởng, dải tần và hiệu suất của ăngten. Phiến kim loại phát xạ có thể là
hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác hoặc bất cứ hình dạng
nào. Hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, tam giác, elip,…được sử dụng phổ
biến nhất bởi chỳng cú sự phát xạ phân cực chéo thấp.
Hoạt động của ăngten mạch dải:
Khi tấm patch được kích thích bởi đường cấp, điện tích được phân bố ở
mặt dưới tấm patch và mặt phẳng đất. Lập tức, lực hút bên dưới tấm patch và
mặt phẳng đất sẽ tích lũy một lượng lớn điện tích. Và cũng đẩy các điện tích
ra mép tạo nên mật độ lớn điện tích ở mép. Đây là nguồn gốc tạo nên điện
trường rìa. Sự bức xạ từ mạch dải có thể xuất hiện từ trường rìa giữa chu vi
của pacth và mặt phẳng đất.
Giả sử không có sự biến thiên của điện trường dọc theo chiều rộng và độ
dày của cấu trúc mạch dải, điện trường được kích thích bởi tấm patch được
chỉ ra như hình dưới:
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
24
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải

Hình 2.2. Cơ cấu phát xạ của mạch dải

Hình 2.3. Phân bố điện trường của ăngten mạch dải
Sự bức xạ gần như tạo bởi trường ở rìa. Trường ở rìa có thể phân tích
thành các thành phần vuông góc và tiếp tuyến với mặt phẳng đất. Các thành
phần vuông góc lệch pha nhau 180
0
do chiều dài patch là λ/2. Do đó trường
bức xạ ở vùng xa giảm do chúng triệt tiêu nhau ở một bên. Các thành phần
vuông góc (song song với mặt phẳng đất) cùng pha. Trường bức xạ tổng hợp

vuông góc với patch. Do đó patch có thể được thay thế bởi 2 khe bức xạ cách
nhau λ/2, được kích thích đồng pha và bức xạ trong một nửa không gian phía
trên mặt phẳng đất.
2.2. Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của Ăngten mạch dải
Ăngten mạch dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực, chỳng cú những ưu và nhược điểm chính sau:
 Ưu điểm:
 Trọng lượng nhẹ, thể tích nhỏ và bề mặt nghiêng mỏng. Ăngten
Cao Thành Trung_ĐTVT K11
25