thiết kế anten mạch dải phân cực tròn

Khoa Điện tử viễn thông
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hay công trình đã có từ trước. Em hoàn thành đồ án dựa trên kiến thức đã học được
và các tài liệu tham khảo.
Tác giả đồ án: Võ Hữu Ngọc Huy
Lớp : 08DT2
Trường: Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2013
Chữ kí
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1: LÝ THUYẾT ANTEN
1.1 Giới thiệu chương.…………………………………………………………………….6
1.2 Khái niệm về anten ………………………………………………………………… 6
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ………………………………………….7
1.4 Các thông số cơ bản của anten ……………………………………………………….7
1.4.1 Trở kháng vào của anten …………………………………………………………8
1
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
1.4.2 Hiệu suất của anten ………………………………………………………………8
1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích ………………………………………………9
1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten ……………………………… 10
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ……………………………………12
1.4.6 Tính phân cực của anten ……………………………………………………… 12
1.4.7 Dải tần của anten……………………………………………………………… 13
1.5 Các hệ thống anten ………………………………………………………………….13
1.6 Kết luận chương …………………………………………………………………… 14

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI
2.1 Giới thiệu chương 15
2.2 Anten vi dải15
2.2.1 Giới thiệu16
2.2.2 Hoạt động của Anten vi dải19
2.2.3 Uu nhược điểm và ứng dụng của anten vi dải20
2.3 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải 21
2.4 Dải thông của anten vi dải 22
2.5 Phân cực của anten vi dải 22
2.6 Các phương pháp phân tích anten vi dải 24
2.7 Kết luận chương 26
Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN
3.1 Giới thiệu chương 27
3.2 Giới thiệu một vài anten vi dải phân cực tròn 27
3.3 Ví dụ thiết kế 28
3.4 Bài toán thiết kế anten vi dải phân cực tròn 30
3.5 Kết luận chương
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1 Giới thiệu chương 34
4.1 Giới thiệu phần mềm HFSS 34
4.2 Mô phỏng bài toán 36
4.2.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 36
4.2.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 42
4.3 Kết quả mô phỏng 46
2
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
4.3.1 Trường hợp đường truyền vi dải 46
4.3.2 Trường hợp cáp đồng trục 49
4.4 Kết luận chương 51

KẾT LUẬN CHUNG
PHỤ LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thông
không dây. Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng
thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại. Anten và đường dây
dẫn (feeder) đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạch điện tử và không gian tự do,
feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử. Ngõ vào của feeder phải phối hợp
trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phát qua feeder và bức
xạ ra không gian. Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng
về độ lợi và phương hướng bức xạ.
Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyến
người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với độ lợi và tính định
hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh
còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như anten Yagi,anten dây, và đặc
biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động và xu hướng
của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng
rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng. Đặc điểm nổi bật của
anten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, và đặc biệt là dễ
3
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu. Những đặc tính trên đã giúp antnen vi dải được
quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện tại nó được sử dụng rất rộng rãi
như trong công nghệ di động, mạng WLAN, anten thông minh và hệ thống tích hợp siêu
cao tần. .
Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và ưu điểm của loại anten này nên em
chọn đề tài đồ án: “Thiết kế anten mạch dải phân cực tròn”. Mục đích nghiên cứu
của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính toán mô phỏng một vài loại
anten vi dải phân cực tròn, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng,tham số của anten và

so sánh chất lượng của từng loại đó
Sau đây em xin trình bày những nội dung của đề tài: gồm 4 chương
Chương 1: Lý thuyết Anten
Trong chương này sẽ giới thiệu một cách sơ lược về lý thuyết chung về
anten, anten vi dải
Chương 2: Giới thiệu Anten vi dải
Tìm hiểu anten vi dải và tìm hiểu một vài tham số cơ bản về kỹ thuật của anten
vi dải.
Chương 3: . Thiết kế anten vi dải phân cực tròn
Giới thiệu một anten vi dải phân cực tròn.Tính toán, thiết kế loại
anten vi dải em chọn
Chương 4: . Mô phỏng anten bằng phần mền HFSS
Giới thiệu phần mềm mô phỏng.Kết quả mô phỏng
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ
các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cũng như bè bạn trong khoa, đặc biệt phải
kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của cô Trần Thị Hương.
Em xin được gửi lời chân thành cảm ơn tới cô Trần Thị Hương cùng các thầy cô và bạn
bè trong khoa Điện tử Viễn thông đã có những giúp đỡ cũng như những ý kiến đóng góp
quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra.
4
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Thiết bị
điều chế
Máy phát
Hệ thống cung cấp n hiệu Hệ thống
bức xạ
Anten phát
Thiết bị xử lý Máy thu
Hệ thống cảm thụ bức xạHệ thống gia công n hiệu
Anten thu

Khoa Điện tử viễn thông
Chương 1: LÝ THUYẾT ANTEN
1.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ giới thiệu về vị trí của anten, giới thiệu một cách ngắn gọn về
các tham số của anten là các thông số kỹ thuật của nó giúp ta có cái nhìn chung về anten
để tiến hành thiết kế về sau.
1.2 Khái niệm về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên
ngoài.
Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v cũng đòi
hỏi anten 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.
Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ
thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử
anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng
lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ
thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu).

5
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Anten hoạt động dựa trên hiện tượng bức xạ sóng điện từ và ta có thể hiểu như sau
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 một 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 mạch. 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. Điện
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 tạo 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.
6
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
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 gọi là năng lượng vô công.
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 :
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hướng và độ tăng ích.
- Đồ thị phương hướng.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
1.4.1 Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten Z

A
bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện
áp U
A
đặt vào anten và dòng điện I
A
trong anten.

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 R
A
được xác định bởi công suất đặt vào anten
PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten I
Ae


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.
7
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền
năng lượng với hiệu 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
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
8
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (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
ϕθϕθ
ϕθ
==
(1.11)
Trong đó:
D(
11
,
ϕθ
) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (
11
,
ϕθ
);
Pbx (
11
,
ϕθ
) và Pbx (0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng
(

11
,
ϕθ
) 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
,
ϕθ
) 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
,
ϕθ
).
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).

),(),(
ϕθηϕθ
DG
A
=
(1.12)
9

Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
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 Đồ thị phương 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 hệ số định hướng như đã phân tích ở trên
còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten.
Đồ thị phương 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 toạ độ cực tương ứng với các phương của
điểm xem xét.
Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực
10
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc
Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy
được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng
của các anten khác nhau. Trong không gian, đồ thị phương 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 bức 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 của đồ thị phương
hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương 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 P
T
là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và G
T
là hệ số tăng ích
của hệ thống anten có hướng tính
Hệ số tăng ích G
T
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
11
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
suất đuợc bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem G
T
= 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


,
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 cực 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 điện 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 giới 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.
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
12
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông

%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: Δf = 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.
1.6 Kết luận chương
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên
ngoài. Với các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như: trở vào,
hiệu suất, dải tần công tác, đặc trưng hướng, đặc trưng phân cực, hệ số định hướng,…để ta
có thể tính toán, thiết kế một anten trong lí thuyết cũng như trong thực tế.

Qua chương này đã tìm hiểu lý thuyết anten, các thông số cơ bản của anten, và một
số hệ thống anten. Trong chương tiếp theo sẽ tìm hiểu cụ thể về một loại anten, anten vi
dải.
13
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Chương 2: ANTEN VI DẢI
2.1 Giới thiệu chương
Chương 2 sẽ trình bày sơ lược về cấu tạo của anten vi dải, sự hoạt động cũng như
ưu nhược điểm của nó. Và tìm hiểu một vài công thức để phục vụ cho thiết kế ở chương
sau.
2.2 Anten vi dải
Anten vi dải được quan tâm đáng kể nhất bắt đầu vào năm 1970, mặc dù ý tưởng của
anten mạch dải được phác hoạ từ năm 1953 và nhận bằng phát minh vào năm 1955. Ưu
điểm lớn nhất của anten vi dải là trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và dễ chế tạo bằng
cách sử dụng công nghệ mạch in
14
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Trong những năm gần đây anten vi 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 anten có nhiều tiện lợi và hiệu quả. Anten vi dải có
nhiều hình dạng như hình tròn,hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật Anten vi dải
được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác. Chúng cũng được thiết
kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square), hình tròn (circular), tam giác
(triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular
ring).
Hình 2.1 – Các dạng anten vi dải thông dụng
2.2.1 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].
15
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Hình 2.1 Cấu trúc anten mạch dải
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 :
• Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn điện
ở trên một phía của tấm điện môi. Tấm dẫn điện có thể là hình vuông, hình
chữ nhật, hình tròn, hình elip, hay hình tam giác, hình vòng nhẫn.

Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm.
16
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
• 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.
• 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.

Hình 2.4 Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải.
17

Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
• 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.
2.2.2 Hoạt động của anten vi 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 vi 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:
18
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Hình 2.6 Cơ cấu phát xạ của vi dải
Hình 2.7 Phân bố điện trường của anten vi 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.
2.2.3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của anten vi dải

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác. Do đó,
anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz.
MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm,
tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục.
 Ưu điểm:
• Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng.
19
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
• Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt.
• Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản.
• Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất
đồng thời với việc chế tạo anten.
• Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền.
• Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng.
• Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân.
 Khuyết điểm:
• MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai.
• Một số MSA có độ lợi thấp.
• Khả năng tích trữ công suất thấp.
• Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất.
• Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối.
MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn
nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng.
Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng.
 Một số ứng dụng của MSAs:
• Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường
được dùng.
• Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ.
• Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

• Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.
• GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.
2.3 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải (feed method)
Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải: dùng cáp đồng trục, đường mạch
dải và ghép khe. Ở đồ án này chỉ thiết kế anten với hai hình thức tiếp điện là dùng cáp
đồng trục và đường mạch dải.
• 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
20
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
dẫn điện. Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng
không.
Hình 2.8 Tiếp điện bằng cáp đồng trục
• 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.
Hình 2.9 Tiếp điện bằng đường mạch dải
• 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
21
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
2.4 Băng thông của anten vi dải
Độ rộng băng thông của anten vi 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 vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của

lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, 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)
Δf 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 của anten.
2.5 Tính phân cực của anten vi 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 thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp
thích hợp.
Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten vi dải là
trường phân cực thẳng. Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng.
Hình 2.11 Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải
22
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông

Hình 2.12 Đồ thì bức xạ 3 chiều
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
Hình 2.13 Tiếp điện bằng 2 đường mạch dải vào hai cạnh của anten.
Hình 2.14 Đồ thị bức xạ 3 chiều
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.
23
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ WLAN ở môi trường truyền
sóng phức tạp.
2.6 Các phương pháp phân tích anten vi dải
Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương pháp
đường truyền 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 (ví dụ hình chữ
nhật, hình tròn), còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường
hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp. Trong mục này sẽ chỉ đề cập đến phương pháp
đường truyền dẫn.
Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi phần tử anten vi dải 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 vi
dải), và đặt song song cách nhau một khoảng L (bằng chiều dài của tấm vi dải) như vẽ ở
hình 3.3. b. Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ.
Khi chọn L =
d
λ
/ 2, với
d
λ
là bước sóng trong lớp đế điện môi thì hai khe này

được kích thích ngược pha nhau, nhưng 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 như mô tả ở hình 3.3. b. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải
nửa sóng.
Hình 2.15 Mô hình anten vi dải
Ví dụ: Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs)
Trong phần này sẽ đề cập đến anten vi dải hình chữ nhật, với loại nửa sóng
24
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013
Khoa Điện tử viễn thông
Loại anten vi dải được sử dụng phổ biến nhất là loại gồm một phiến kim loại hình chữ
nhật gắn trên bản mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải.
Chiều dài L xấp xỉ bằng nửa bước sóng.
0
0.49 0.49
d
r
L
λ
λ
ε
≈ =
(3.1)
trong đó:
0
λ
: bước sóng trong không gian tự do
d
λ
: bước sóng truyền trong lớp điện môi

Như trên đã phân tích, trường bức xạ của anten có thể được xác định dựa trên nguồn
bức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra bởi cạnh của phần tử vi dải và mặt
phẳng đế trực tiếp ở phía dưới. Do t <<
d
λ
/4, mỗi khe đơn sẽ bức xạ đẳng hướng vào
nửa không gian phía trên mặt phẳng đế.
Hình 2.16 Bức xạ anten vi dải
Hình 2.16a vẽ anten vi dải, các khe bức xạ của nó và hệ tọa độ khảo sát. Hình b là
cấu trúc điện từ trường ở gần phiến kim loại, trong đó đường liền là trường E, đường đứt
nét là trường H.
2.7 Kết luận chương
Trong chương này đã tìm hiểu được về cấu tạo, ưu nhược điểm,ứng dụng, các
phương pháp cấp nguồn cho anten mạch dải…Trong chương tiếp theo sẽ đi thiết kế một
anten mạch dải.
25
Đồ án tốt nghiệp đại học 2013