Hợp tác về công nghệ siêu cao tần cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo anten mạng

Thit b
iu ch
Mỏy phỏt
H thng
cung cp
tớn hiu
H thng
bc x
Anten phỏt
Thit b
x lý
Mỏy thu
H thng
cm th
bc x
H thng
gia cụng tớn
hiu
Anten thu
Chng 1 Lí THUYT ANTEN

1.1 Khỏi nim v anten
Anten l thit b dựng bc x súng in t hoc thu nhn súng t khụng
gian bờn ngoi.
Vi s phỏt trin ca k thut trong lnh vc thụng tin, rada iu khin
v.v cng ũi hi anten khụng ch n thun lm nhim v bc x hay thu súng
in t m cũn tham gia vo quỏ trỡnh gia cụng tớn hiu.
Trong trng hp tng quỏt, anten cn c hi
u l mt t hp bao gm
nhiu h thng, trong ú ch yu nht l h thng bc x hoc cm th súng bao
gm cỏc phn t anten (dựng thu hoc phỏt), h thng cung cp tớn hiu m

bo vic phõn phi nng lng cho cỏc phn t bc x vi cỏc yờu cu khỏc
nhau (trng hp anten phỏt), hoc h thng gia cụng tớn hiu (trng hp anten
thu). [1]






Hỡnh 1.1 H thng anten thu v phỏt [1]
1.2 H phng trỡnh Maxwell
Lý thuyt anten c xõy dng trờn c s nhng phng trỡnh c bn ca
in ng lc hc: cỏc phng trỡnh Maxwell.
Trong phn ny ta coi cỏc quỏ trỡnh in t l cỏc quỏ trỡnh bin i iu
ho theo thi gian, ngha l cú th biu din qui lut sin, cos di dng phc
ti
e


)cos()Re( tEeEE
ti


==

(1.1b) hoc
)sin()Im( tEeEE
ti

==

(1.1b)

Bộ quốc phòng


Đề TàI nhiệm vụ hợp tác Quốc tế
về khoa học và công nghệ THEo nghị định th

BáO cáo tổng hợp
Kừt quả khoa học công nghệ đề tài
Tên đề tài:
Hợp tác về công nghệ siêu cao tần cho việc
nghiên cứu thiết kế anten mạng
M số: 28/HĐ-NĐT


Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Văn Hoan
Cơ quan chủ trì: Viện Rađa/ Viện KHCN Quân sự/ BQP









8654

H Ni - 2010


1
Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

e
p
JEiHrot +=
ωε
ϖ
(1.2a)

HiErot
ωµ
−=
(1.2b)

ε
ρ
e
Ediv =
(1.2c)

0=Hdiv
(1.2d)

E
là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m)

H
là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=
ωε
σ
εε
i
p
1
(1.3)
(hệ số điện thẩm phức của môi trường)
ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)
µ hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
σ điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

e
J là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (
2
m
A
)

e
ρ
là mật độ khối của điện tích. (
3
m
C
)
Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng
trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học,
người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ
tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong
tự nhiên.
Kết hợp với nguyên lý
đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được
viết như sau:

e
p
JEiHrot +=
ωε
(1.4a)
m
JHiErot −=
ωµ
(1.4b)
ε
ρ
m
Ediv =
(1.4c)

µ
ρ
e
Hdiv −=
(1.4d)
Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E,H. Trong phương trình
nghiệm nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.

2
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường
hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự
bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét mộ
t mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất
nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong
không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian
của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không
bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của m
ạch. Năng lượng điện
trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ
trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều
và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian
bên ngoài. Đi
ện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới
khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn,
nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ
nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện
trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ

tạ
o ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường
xoáy hình thành quá trình sóng điện từ.
Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian
tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng
điện từ ràng buộc với nguồn gọ
i là năng lượng vô công.[1]
1.4 Các thông số cơ bản của anten
Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau
đây [3]:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hướng và độ tăng ích.
- Giản đồ hướng.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
1.4.1 Tr
ở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số
giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten.

3

AA
A
A
A
jXR
I

U
Z +==
(1.5)
Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học
của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt
vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

Ae
A
A
I
P
R =
(1.6)
Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính
phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số
trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền
sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có
thể truyền năng lượng với hiệ
u suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở
kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.

1.4.2 Hiệu suất của anten
Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số
quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten
A
η
chính là tỷ số

giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA

A
bx
A
P
P
=
η
(1.7)
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối
với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó
A
η
< 1. Gọi công suất tổn hao là Pth


thbxA
PPP
+
=
(1.8)
Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị
điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:

(
)
thbxAeAAeA
RRIRIP +==
22

.
(1.9)
Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành:

thbx
bx
thbx
bx
A
RR
R
PP
P
+
=
+
=
η
(1.10)
1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích

4
Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau
người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích
(hệ số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng
và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với
anten lý t
ưởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất
A

η
= 1, và năng lượng bức xạ đồng
đều theo mọi hướng. Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng
hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của anten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi
chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho
vẫn giữ nguyên giá trị cường
độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó

)0(
),(
)0(
),(
),(
2
11
2
11
11
E
E
P
P
D
bx
bx
ϕθ
ϕθ
ϕθ
== (1.11)

Trong đó:
D(
11
,
ϕ
θ
) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (
11
,
ϕ
θ
);
Pbx (
11
,
ϕ
θ
) và Pbx (0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với
hướng (
11
,
ϕ
θ
) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
E(
11
,
ϕθ
), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(

11
,
ϕ
θ
) lần công suất bức xạ Pbx(0) của
anten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị
E(
11
,
ϕ
θ
).
Hệ số tăng ích của anten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công
suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten
vô hướng để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng
đã xác định (θ,ϕ).

),(),(
ϕ
θ
η
ϕ
θ
DG
A
=
(1.12)
Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc
tính bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ
hơn hệ số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có

thể tính được Pbx theo công thức sau:

AAbx
GPP .
=
(1.13)
1.4.4 Giản đồ hướng và góc bức xạ của anten
Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten
phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn
hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định
được tính hướng tính của anten. Hướng tính của anten ngoài thông số về h
ệ số

5
định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi giản đồ hướng của
anten.
Giản đồ hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương
đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng
cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc to
ạ độ cực tương ứng
với các phương của điểm xem xét.


Hình 1.2 Giản đồ hướng trong toạ độ cực [6]

Hình 1.3 Giản đồ hướng trong toạ độ góc [6]
Dạng giản đồ hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như
vậy được gọi là giản đồ hướng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh giản đồ hướng
của các anten khác nhau. Trong không gian, giản đồ hướng của anten có dang
hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang

(góc ϕ) và mặt phẳng đứng góc (θ).
Trường bứ
c xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không
theo sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng

6
của giản đồ hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của giản đồ hướng hay
còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính
vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn
được gọi là góc mở nửa công suất.
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ
thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công
suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất
bức xạ đẳng hướng tương đương. Ký hiệu là EIRP
TT
GPEIRP
=
(W)
Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ
số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính
Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của
máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. Công suất bức xạ
đẳng hướng là công suất đuợc bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này
có thể xem GT = 1. Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó
càng lớn.
1.4.6 Tính phân cực của anten
Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector
HE
ρ

ϖ
,
có biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được
đánh giá và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình
chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ
lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân
cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân c
ực là elip; nếu hình chiếu là hình
tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng.
Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng
và tròn chỉ là trường hợp riêng.
Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan
hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao
thành phần thẳng đứng của điệ
n trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành
phần nằm ngang. Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử
dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé
hơn nhiều so với thành phần đứng.
1.4.7 Dải tần của anten
Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của
anten nhận các giá trị trong gi
ới hạn cho phép. Giới hạn đó được quy định là
mức nửa công suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì
việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong
dải tần của anten thường gọi là tần số công tác.

7
Thường dải tần được phân làm 4 nhóm
- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

%10
0
<
∆
f
f
tức là
1.1
min
max
<
f
f

- Anten dải tần tương đối rộng

%50%10
0
<
∆
<
f
f
tức là 5.11.1
min
max
<<
f
f

- Anten dải tần rộng

45.1
min
max
<<
f
f

- Anten dải tần rất rộng

4
min
max
>
f
f

Trong đó: ∆f = fmax – fmin
1.5 Các hệ thống anten
• Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,
anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh
• Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa
• Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu
sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)
• Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.

8
Chương 2 ANTEN MẠCH DẢI


2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải
Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc mạch dải được đưa ra đầu tiên vào năm
1953 bởi Deschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát
triển và đi vào thực tế. Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu
tiên bởi Howell và Munson [7]. Với những lợi điểm củ
a mình như nhỏ gọn, giá
thành thấp, dễ chế tạo, và đặc biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý
tín hiệu nên anten mạch dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh
vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông
minh…
2.1.1 Cấu tạo
Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Mỗi phần tử anten
mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn
kim loại và bộ phận tiếp điện. Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo
nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn
có tên là là anten mạch in [1].

Hình 2.1 Cấu trúc anten mạch dải [3]
Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng
W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi ε.
Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau. Có 4
dạng cơ bản anten mạch dải [7] :
¾ Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm
dẫn điện ở trên một phía của tấm điệ
n môi. Tấm dẫn điện có thể là
hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hay hình tam giác,
hình vòng nhẫn.

9

Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm.
¾ Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm
dẫn điện giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole
mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi.


Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải.
¾ Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở trên
mặt phẳng đất. Khe hẹp này có thể bất cứ hình dạng gì tuy nhiên
thông thường là dạng hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên.

10

Hình 2.4 Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải.
¾ Anten mạch dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna),

gồm các đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau
trên bề mặt của tấm điện môi.


Hình 2.5 Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy.
Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải: dùng cáp đồng trục, đường
mạch dải và ghép khe [7]

11
¾ Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn
điện. Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích
hợp trên tấm dẫn điện. Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có
trở kháng vào bằng không. Có thể tính toạ độ tiếp điểm theo công
thức sau:

2
W
Y
f
=
(2.1)

)(2 l
L
X
re
f
ξ
= (2.2)
Với

2/1
)121(
2
1
2
1
−
+
−
+
+
=
L
h
rr
re
εε
ξ
(2.3)


Hình 2.6 Tiếp điện bằng cáp đồng trục


Hình 2.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục
¾ Tiếp điện bằng đường mạch dải. Phương pháp này dễ thực hiện hơn
cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải có độ dài λg/4
để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50 Ω tới trở
kháng vào của anten.

12

Hình 2.8 Tiếp điện bằng đường mạch dải


Hình 2.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp bằng đường mạch dải.
¾ Tiếp điện bằng ghép khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng.
Ta ghép giữa đường mạch dải 50 Ω với trở kháng vào của anten
bằng khoảng cách s. Khoảng cách này sẽ như là thành phần điện
dung C.

Hình 2.10 Tiếp điện bằng ghép khe

Hình 2.11 Sơ đồ tương đương ti
ếp điện bằng ghép khe

13
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải
Sóng điện từ fring off từ tấm phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản
xạ trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên. Trường bức xạ xảy ra
chủ yếu do trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất.

Hình 2.11 Trường bức xạ E và H của anten mạch dải.[9]
Phụ thuộc vào từng cấu trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc
mạch dải phẳng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn
sóng. Nếu cấu trúc sử dụng như một anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến
đổi thành sóng không gian. Còn nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn
năng lượng được giữ trong ống dẫ
n sóng. Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao
không mong muốn nhưng đôi khi vẫn có những ứng dụng sử dụng loại sóng này

như leaky antenna [1].
¾ Sóng không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại.
Những sóng này có thể bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng
cách 1/r. Trong cấu trúc mạch dải thì sóng không gian chỉ tồn tại ở
nửa trên vì màn chắn kim loại đã ngăn không cho bức xạ xuống
không gian phía dưới.
¾ Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa
màn chắn dẫn điện và phiến kim loại.
¾ Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn
kim loại theo góc nhỏ hơn góc tới hạn. Sau khi phản xạ từ màn chắn,
một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi – không
khí, khiến cho một phần năng lượng rò ra khỏi lớp đi
ện môi.
¾ Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt
và bên trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt

14
giới hạn điện môi – không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng
điện môi hay trong sợi cáp quang.
2.2 Tính phân cực của anten mạch dải
Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất
định, nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà
ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực tuyến tính hoặc phân cự
c tròn bằng
cách sử dụng các biện pháp thích hợp.
Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten
mạch dải là trường phân cực tuyến tính. Anten khe là một dạng đơn giản nhất
của anten phân cực tuyến tính.

Hình 2.12 Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải [4]



Hình 2.13 Đồ thì bức xạ 3 chiều [4]
Để tạo được trường phân cực tròn ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh
của anten hoặc từ một cổng ta chia ra thành 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là
λ/4

15

Hình 2.14 Tiếp điện bằng 2 đường mạch dải vào hai cạnh của anten.[4]



Hình 2.15 Đồ thị bức xạ 3 chiều [4]
Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào
nó cũng có thể thu được một thành phần của tín hiệu. Điều đó là do sóng tới có
góc quay biến đổi. Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ
WLAN ở môi trường truyền sóng phức tạp.
2.3 Băng thông của anten mạch dải
Độ r
ộng băng thông của anten mạch dải được định nghĩa là khoảng tần số
mà trên mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới
hạn xác định. Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được
các yêu cầu đặt ra.
Độ rộng băng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi
độ dày c
ủa lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ,

16
độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thực
kinh nghiệm sau [1]:

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=∆
32/1
4
2
t
ff
(2.4)
∆f là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi.
Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện
môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn,
vì khi t > 0.1λ0 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất c
ủa anten.
2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải
Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là
phượng pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng.
Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại
có hình dạng đơn giản, còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp
dụng cho các trườ
ng hợp được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có
hình dạng phức tạp.

Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi anten mạch dải hình chữ nhật có
thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ
rộng của tấm mạch dải) và đặt song song cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức
xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = λ
d/2 do vì mặt bức xạ của 2 khe lại
hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe
lại trở nên cùng chiều trong không gian. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử
mạch dải nửa sóng.[1]
Hiện nay ngoài các phương pháp trên còn có phương pháp FDTD, phương
pháp này được công bố bởi Yee năm 1966 là phương pháp đơn giản nhưng hữu
hiệu để rời rạc phương trình vi phân của h
ệ phương trình Maxwell.FDTD đặc
biệt có thể mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các
tham số tác động lên anten.[2]
Trong phần thiết kế để đơn giản ta xét mô hình tấm mạch dải hình chữ nhật
được tiếp điện bằng cáp đồng trục. Trước tiên ta bắt đầu với ba thông số bắt
buộc cơ bản đó là: tần số hoạt động (tầ
n số cộng hưởng này có thể chọn tuỳ vào
từng ứng dụng), hằng số điện môi, độ dày điện môi.

17
Sau đây sẽ là các bước tính toán thiết kế
¾ Tính toán độ rộng W của tấm mạch dải theo công thức:

2
1
2
0
+
=

r
f
c
W
ε
(2.5)
¾ Tính toán hằng số điện môi hiệu dụng

2/1
121
2
1
2
1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
−
+
+
=
W
h
rr
reff

εε
ε
(2.6)
¾ Tính toán chiều dài hiệu dụng

reff
eff
f
c
L
ε
0
2
=
(2.7)
¾ Tính toán độ mở rộng của chiều dài

)8.0)(258.0(
)264.0)(3.0(
412.0
+−
++
=∆
h
W
h
W
hL
reff
reff

ε
ε
(2.8)
¾ Tính toán chiều dài của tấm mạch dải

LLL
eff
∆
−
=
2 (2.9)
¾ Tính toán chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng đất

LhL
g
+
=
6 (2.10a)

WhW
g
+
=
6
(2.10b)
¾ Tính toán vị trí tiếp điện. Vị trí của tiếp điện được tính theo công
thức (2.1) và (2.2)
2.5 Kết luận
Từ những phân tích trên cùng với yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật và để đơn
giản trong thiết kế chế tạo ta chọn phương án thiết kế anten mạch dải dạng chữ

nhật và tiếp điện bằng đường mạch dải.



18
Chng 3 NHNG C TRNG CA ANTEN MNG PHA

3.1 Định nghĩa những đặc trng hình học của anten mng pha.
Phổ biến nhất là anten mng pha có các phần tử đặt trong mặt phẳng. Đại
đa số những anten mng pha phẳng cấu tạo bởi những bộ bức xạ đồng nhất xắp
xếp ở những góc của bớc toạ độ phẳng với chu kỳ kép. Ví dụ nh ở hình 3.1

Hình 3.1 Các phơng pháp sắp xếp các bộ bức xạ

Khi xem xét chi tiết giả thiết rằng giản đồ hớng của phần tử bức xạ nằm
ở mạng không khác với giản đồ hớng của phần tử bức xạ riêng biệt. Kích thích
các phần tử khi bức xạ định hớng hẹp đảm bảo việc cộng đồng pha các trờng ở
hớng đã định và phụ thuộc vào vị trí bộ bức xạ trong mạng:
()
(
)






sinsincos, YnqXnqknq
+

=
(3.1)
ở đây:
k = 2/ - Hệ số sóng; Xnq, Ynq Toạ độ các bộ bức xạ
, - các góc của hệ toạ độ mặt cần xác định hớng tia cực đại chính trong
không gian (hình 3.2)

19



Hình 3.2 Hệ toạ độ

Giả sử mạng cấu tạo bởi các phần tử bức xạ nh nhau, có thể mô tả đặc
trng định hớng của nó f(,) dới dạng tính đặc trng định hớng của phần tử
bức xạ riêng biệt là F(,) và hệ số của mạng là Fe(,):
()
(
)
(
)






,,, FeFf
=
(3.2)

ở đây:
()
()
[
]

+=
NM
nm
n
mnmn
iAmnF
.
,
exp,



Amn Biên độ kích thích của phần tử mạng
()

sinsincos
mnmn
n
mn
YXk +=
- độ định pha không gian cho
hớng quan sát (,).
Khi sắp xếp các phần tử bức xạ ở các mắt lới toạ độ với chu kỳ kép
việc cộng đồng pha các trờng của các phần tử riêng biệt của mạng có thể không

chỉ ở hớng cực đại chính của giản đồ hớng, mà ở các hớng khác có định pha
không gian tơng ứng với chúng, bù khử định pha giữa các chấn tử do kích thích.
Trong trờng hợp này, không chỉ có cực đại chính mà còn tồn tại những cực đại
nhiễu xạ của các thành phần bậcc cao, định hớng không gian của nó phụ thuộc
vào khoảng cách giữa các chấn tử. Khi giảm khoảng cách này số lợng những
cực đại nhiễu xạ nằm ở vùng các góc làm việc sẽ giảm. Để mạng làm việc bình

20
thờng cần thiết sao cho ở những vùng của góc hoạt động chỉ tìm một cực đại
chính không có những cực đại nhiễu xạ.
Khi sử dụng lới vùng những cực đại nhiễu xạ bậc cao không có nếu
khoảng cách giữa các phần tử bức xạ ở hớng các trục toạ độ thoả mãn các điều
kiện sau:
(
)
(
)
maxmax
sin1/1/;sin1/1/
yx
dydx




+

+
(3.3)
ở đây: - Bớc sóng

xmax
,
ymax
các góc lệch tia cực đại ở mặt phẳng ZOX và ZOY (hình 3.2)
Với lới tam giác điều kiện tơng ứng có dạng:
max
sin1
1
3
2

+

d
(3.4)
ở đây:
max
- Độ lệch cực đại của tia với trực giao của mạng, thí dụ nếu
max
= 45
0

thỉ ở bởi vùng và lới tam giác có dx = dy = 0,58 và d = 0,68 . Nh vậy sử
dụng bởi tam giác cho phép tăng khoảng cách giữa các chấn tử và giảm số lợng
chúng đi 30% so với số lợng các phần tử của mạng lới vuông.
Các điều kiện (3.3) và (3.4) không tính đến những tính chất định hớng
của các phần tử bức xạ của mạng và xác định những khoảng cách giới hạn của
các phần tử đẳng hớng trong mạng. ở góc quét hạn chế sử dụng các phần tử
định hớng cho phép tăng khoảng cách giữa chúng so với những giá trị xác định

theo (3.3) và 3.4) và tơng ứng với giảm số lợng chung của các phần tử bức xạ.


21



Sin
max
2

Sin

Sinu

Hình 3.3 Giản đồ hớng của phần tử lý tởng (1); Phần tử thực (2); Hệ số
mạng (3)
Rõ ràng là, nếu giản đồ hớng của một phần tử bức xạ của mạng bằng 0
hay xấp xỉ 0 ở ngoài góc quét (hình 3.3), thì có thể xuất hiện các cực đại nhiễu
xạ các thành phần bậc cao ở vùng các góc thực sau khi tăng khoảng cách giữa
các phần tử bức xạ so với (3.3), (3.4) và yêu cầu sao cho trong mọi dịch chuyển
của tia, những cực đại nhiễu xạ không rơi vào rẻ quạt quét. Vì đặc trng định
hớng của mạng nhận đợc bằng cách nhân đặc trng định hớng của phần tử
bức xạ và hệ số mạng, nên những cực đại nhiễu xạ gần nh bị chế áp vì nó đợc
nhân với giá trị 0 hoặc gần 0.
Khi quét trong rẻ quạt nón các góc
max
có lợi thế theo số lợng các bộ
bức xạ so với mạng các phần tử đẳng hớng cho bởi tam giác và lới vuông là:
(

)
max
2
2
max
sin4/sin1/


+=NN
oTPu
(3.5)
Mặt khác, tạo bộ bức xạ đặc trng định hớng của nó giảm nhanh ngoài rẻ
quạt quét là điều khá phức tạp. Những đặc trng định hớng của các bộ bức xạ
thực khác với lý tởng. Vì số lợng các bộ bức xạ trong mạng thực thấp hơn tối
thiểu có thể. Nếu độ rộng của Giản đồ hớng không lớn hơn 1
0
, còn rẻ quạt quét
thông cả 2 mặt phẳng chính nhỏ hơn 10
0
, Thì có thể nhận đợc tính định hớng
cần thiết sau khi đã liên kết thành nhóm các phần tử bức xạ định hớng thấp
thông thờng (hình 3.4). Các bộ bức xạ này đợc gọi là các mạng con.

22




x
L

y
L
x
N
y
N
x
L
,
y
L
,
Hình 3.4 Sở đồ anten mạng pha với các Hình 3.5 Hình mạng Anten phẳng với
mạng con không quét mạng con không quét

Các bộ bức xạ của mạng con đợc kích thích đồng pha và tạo giản đồ
hớng có cực đại định hớng vào hớng trực giao mặt phẳng mạng. Khi quét pha
của từng mạng con có thể xem chúng nh là các bộ bức xạ riêng biệt của anten
đợc thay đổi nhở các bộ xoay pha. Kích thích tơng ứng của các mạng con
đợc chọn theo rẻ quạt quét định hớng trớc và mực cho phép của những cực
đại nhiễu xạ các thành phần bậc cao. Vì hình dạng giản đồ hớng của mạng con
khác với lới vuông, nên khi xác định những kích thích của nó cần phải tính đến
- Mức cho phép của những cực đại nhiễu xạ bậc cao, khi quét chúng nằm ở
giới hạn của cách sóng chính của giản đồ hớng các mạng con (Xem hình 3.3)
(
)
[
]
yx
yLx

,max
'
sin1//,

+=
(3.6)
ở đây:
Lx,y

Các kích thứơc của mạng con dọc theo trục X và Y ứng với hình
3.5 số các dòng và cột tạo các mạng con:
max,
sin
1,
,
yx
yLx
yNx




+
=
(3.7)
ở đây: Lx,y Các kích thớng mặt mở của mạng dọc theo các trục X,Y, số các
bộ xoay pha trong mạng N = NxNy.
Các kích thớc anten đợc xác định bởi các giá trị hệ số định hớng cho
trớc hay độ rộng giản đồ hớng, độ dài bớc sóng và phân bố biên độ đợc
chọn của trờng ở mặt mở anten (Phân bố biên độ phụ thuộc vào mức các cánh

sóng phụ cho phép).

23
Để tính toán độ rộng giản đồ hớng của mạng tuyến tính khi lệch tia khỏi
trực giao, đa vào khái niệm độ dài tơng ứng mạng (hình 3.6).


=

cos
dKB
NL

Khi tăng góc lệch L

KB
giảm, còn độ rộng giản đồ hớng sẽ tăng.

KB
L


Hình 3.6 Giải thích định nghĩa độ dài tơng đơng của mạng Anten

Có thể cho rằng, ở mạng phẳng hai chiều khi lệch cực đại chính khỏi
hớng trực giao mặt mở về mặt phẳng nào đó độ rộng giản đồ hớng thay đổi ở
chính mặt phẳng này. Điều khẳng định này càng chính xác khi kích thớc mạng
anten càng lớn. Nó rất đúng cho mạng có độ dài lớn hơn 10 .
Khi lệch cực đại chính khỏi trực giao với mặt phẳng mạng vuông ở các
mặt phẳng vuông góc với hớng cực đại chính. Độ rộng giản đồ hớng và hệ số

định hớng cần đa vào khái niệm kích thớc tơng đơng và diện tích tơng
đơng của mạng.

=

cos
xxKBX
dNL
(mặt phẳng XOY)

=

cos
YYMBy
dNL
(mặt phẳng YOZ)


=


cosSS
KB
(3.9)
ở đây: Nx, Ny số dòng và cột các phần tử của mạng, song song với các trục X và
Y của hệ toạ độ vuông.
S Diện tích mặt mở

24
ở mạng phẳng hệ số định hớng phụ thuộc vào sự lệch cực đại của giản

đồ hớng với trực giao mặt phẳng mạng với góc

.
(
)

=


cos
0
DD
(3.10)
D
0
Giá trị hệ số định hớng ở hớng vuông góc với mặt phẳng mạng.
Các công thức (3.8) (3.10) là gần đúng, độ chính xác của nó càng cao
khi độ rộng của tia càng hẹp, tức kích thớc tơng đối của mạng càng lớn.
Để định hớng của tia vào hớng trực giao mặt phẳng mạng, hệ số định
hớng
D
0
= 4SV/
2
(3.11)
V Hệ số sử dụng diện tích mặt mở, trong thiết diện của nó xác định phân
bố biên độ.

3.2 ảnh hởng tơng hỗ của các bộ bức xạ.
Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng khổng hể bỏ qua

ảnh hởng tơng hỗ các bộ bức xạ của mạng, ảnh hởng này xuất hiện nh sau:
Điện trở vào của phần tử bức xạ ở trong mạng khác với trở của phần tử ở không
gian tự do và là hàm của góc quét; giản đồ hớng của phần tử thay đổi, những
đặc trng phân cực sẽ thay đổi.
Đôi khi tơng tác của các phần tử ở mạng dẫn tới sự mất phối hợp đột biến
giữa mặt mở anten và mạch mạch cao tần. ở các mạng anten lớn trong trờng
hợp này quan sát đợc hiệu ứng che khuất (mù), khi đó trên thực tế sẽ ngừng bức
xạ và thu sóng điện từ.
Một trong những đặc trng quan trọng nhất của mạng anten là giản đồ
hớng của một phần tử bức xạ trong điều kiện tất cả các phần tử còn lại chịu tải
trên tải phối hợp, tức ở mạng kích thích chỉ có một phần tử, còn các phần tử khác
nối với tải ứng với điện trở sóng của phiđe. Khi đó, do mối quan hệ tơng tác
dòng cảm ảnh hởng sang các phần tử bên cạnh giản đồ hớng của phần tử kích
thích đợc tạo ra do cộng trờng của các bộ bức xạ, tải trên các tải thụ động, khi