Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

i

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................I
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.............................................................................II
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................IV
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................3

Đ

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI.......................................................4

ồ
Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna)..............................................4

1.2

Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải...........................................................5

1.3

Một số loại anten vi dải thông dụng.............................................................6

án

1.1

gh

tn

tố

p

iệ

1.3.1 Anten patch vi dải.............................................................................................6
1.3.2 Anten khe mạch in............................................................................................7

Q

uả

1.3.3 Anten vi dải lưỡng cực.....................................................................................8

n

1.3.4 Anten vi dải sóng chạy.....................................................................................8

ị

tr

1.4

Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải........................................................9

1.4.1

Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải.........................................................9

1.4.2

Tiếp điện bằng probe đồng trục..................................................................10

1.4.3

Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling).....................11

1.4.4

Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling)....................11

1.5

Anten patch hình chữ nhật.........................................................................12

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ii

1.6

Nguyên lý bức xạ anten vi dải.....................................................................14

1.7

Các mơ hình phân tích anten vi dải............................................................16

1.7.1

Mơ hình đường truyền (Transmission line)................................................16

1.7.2

Mơ hình hốc cộng hưởng...........................................................................20

1.8

Các thơng số khác của anten vi dải............................................................23
Băng thông của anten vi dải.......................................................................23

1.8.2

Phân cực của anten vi dải...........................................................................24

1.8.3

Độ định hướng của anten vi dải.................................................................24

Đ

1.8.1

ồ
án

1.9

Kết luận chương..........................................................................................24

tố

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

tn

ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG............................................................................26

gh

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế anten...................................26

p

iệ

2.1

uả

Q

2.1.1 Ảnh hưởng của các thơng số chất nền............................................................26
2.1.2 Hình dạng thành phần bức xạ thích hợp.........................................................27

n

ị

tr

2.1.3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp............................................................27
2.2

Kỹ thuật mở rộng băng thơng....................................................................28

2.2.1 Kỹ thuật kích thích đa mode...........................................................................28
2.2.2 Tăng độ dày chất nền......................................................................................30
2.2.3 Kỹ thuật DGS.................................................................................................30
2.3

Phương pháp thiết kế anten vi dải cơ bản.................................................31

2.3.1 Thiết kế thành phần bức xạ.............................................................................31

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

iii

Tính tốn kích thước patch, chiều rộng của patch vi dải được tính theo cơng thức
sau:.......................................................................................................................... 31
2.3.2 Thiết kế đường truyền vi dải...........................................................................32
2.3.3 Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng...........................................34
2.4

Kết luận chương..........................................................................................35

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG..............................36
Giới thiệu phần mềm mơ phỏng CST........................................................36

3.2

Mục tiêu thiết kế..........................................................................................37

3.3

Cấu trúc thiết kế..........................................................................................37

3.4

Tính tốn thiết kế........................................................................................37

3.5

Kết quả mơ phỏng.......................................................................................40

3.6

Đánh giá.......................................................................................................44

3.7

Kết luận chương..........................................................................................45

Đ

3.1

ồ
án

p

iệ

gh

tn

tố

uả

Q

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI....................................45

n
ị

tr

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................47

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Computer simulation technology

Phần mềm mô phỏng công
nghệ trên máy tính

GSM

Global system for mobile communication

Hệ thống thơng tin di động
toàn cầu

GPS

Global positioning system

Hệ thống định vị toàn cầu

MPA

Microstrip patch antenna

Anten bức xạ vi dải

CPW

Coplanar waveguide

ống dẫn sóng đồng phẳng

Đ

CST

ồ

Ground

Đất

MTA

Microstrip traveling – wave antenna

Anten vi dải sóng chạy

TM

Transverse magnetic

Từ trường ngang

BW

Bandwidth

Băng thông

DGS

Defected ground structure

HPBW

Half power beam width

WLAN

Wireless local area network

án

GND

p

iệ

gh

tn

tố

Cấu trúc mặt đấu khuyết
thiếu

uả

Q

Độ rộng búp sóng nửa cơng
suất

n

Mạng cục bộ khơng dây

ị

tr

GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ.....................................................................4
Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng...............................................................5
Hình 1.3 Anten patch vi dải.......................................................................................7
Hình 1.4 Một số hình dạng thơng dụng của anten patch vi dải..................................7

Đ

Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in...............................................................8

ồ
án

Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực...............................................................................8

tố

Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy...............................................................................9

tn

gh

Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải..........................................................10

p

iệ

Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục....................................................................11

uả

Q

Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe...................................................11

n

Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần...................................................12

tr

ị

Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật......................................................................13
Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía.......................................17
Hình 1.14 Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp..........................19
Hình 1.15 Phân bố điện tích và dịng điện trong anten vi dải hình chữ nhật............20
Hình 1.16 Mơ hình hốc cộng hưởng........................................................................21
Hình 1.17 Các mode của anten vi dải patch hình chữ nhật......................................23

GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

iii

Hình 2. 1 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thơng trở
kháng....................................................................................................................... 26
Hình 2. 2 Anten vi dải xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe.....................................29
Hình 2. 3 Một số khn mẫu DGS..........................................................................31
Hình 2. 4 Tính tốn trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải...........................34

Hình 3. 1 Giao diện phần mềm CST.........................................................................36

Đ

ồ

Hình 3. 2 Hình dạng anten vi dải hình chữ nhật tiếp điện bằng đường vi dải cắt sâu

án

................................................................................................................................. 38

tn

tố

Hình 3. 3 Cấu trúc 3D anten vi dải ban đầu.............................................................39

gh

Hình 3. 4 Anten vi dải sau khi kết hợp cấu trúc DGS dạng 3D và mặt sau anten....39

p

iệ

Hình 3. 5 Tần số cộng hưởng tính theo lý thuyết bị lệch.........................................40

uả

Q

Hình 3. 6 Thơng số S11 của anten vi dải với f= 5,25 GHz........................................40
Hình 3. 7 Bức xạ 3D và 2D của anten ban đầu........................................................41

n
tr

Hình 3. 8 Tham số VSWR của anten vi dải.............................................................41

ị
Hình 3. 9 Anten với độ dày chất nền thay đổi h=2,2 mm và h=2,6mm...................42
Hình 3. 10 Anten với DGS ở dưới giữ nguyên độ dày h..........................................42
Hình 3. 11 Anten với DGS ở bên trái patch và giữ nguyên độ dày h.......................43
Hình 3. 12 Tham số S11 của anten vi dải sau cải thiện băng thơng...........................43
Hình 3. 13 Đồ thị bức xạ và hiệu suất của anten vi dải dạng 3D và trong mặt phẳng
E sau khi cải thiện băng thơng.................................................................................44
GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

iv

Hình 3. 14 Tham số VSWR của anten vi dải sau khi cải thiện băng thơng..............44

Đ
ồ
án
p

iệ

gh

tn

tố
uả

Q
n
ị

tr

GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hồi


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Bảng so sánh băng thơng của các hình dạng patch tại VSWR=2................27
Bảng 2 Các thông số đầu vào của anten vi dải.........................................................37
Bảng 3 Các thông số thiết kế anten vi dải................................................................37
Bảng 4: Thơng số kích thước của cấu trúc DGS......................................................39
Bảng 5 So sánh các thông số của anten vi dải ban đầu và anten cải thiện băng thông
................................................................................................................................. 44

Đ
ồ

án
p

iệ

gh

tn

tố
uả

Q
n
ị

tr

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


LỜI MỞ ĐẦU
Cho đến thời điểm hiện tại không thể phủ nhận vai trị quan trọng của truyền
thơng vơ tuyến và các thiết bị liên quan, nó gắn liền với cuộc sống hàng ngày và phủ
sóng khắp tồn cầu, những năm gần đây sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến
đã thúc đẩy sử phát triển của công nghệ truyền thơng vơ tuyến, cùng với sự phát triển
đó thì anten - thành phần khơng thể thiếu trong bất kì hệ thống viễn thơng nào cũng
khơng ngừng được quan tâm nghiên cứu phát triển để phù hợp với các thiết bị thông

tin vô tuyến hiện đại.
Những nghiên cứu về anten mang ý nghĩa hiệu quả truyền thông vô tuyến

Đ

được quan tâm nhất đầu tiên phải kể đến là anten vi dải . Nhờ các ưu điểm nối bật

ồ

án

như: có kích thước mỏng, nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ dàng sản xuất, dễ phối hợp
trở kháng và dễ tích hợp các cấu trúc trên bề mặt, mà anten vi dải đã được lựa chọn

tố

làm anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến như: Điện thoại di động cầm tay, các

tn

kỹ thuật lường từ xa, các mạng wifi... Tuy nhiên anten vi dải lại có hạn chế lớn về

gh

mặt băng thông, băng thông rất hẹp trong khi rất nhiều ứng dụng hiện nay đòi hỏi

p

động tại nhiều dải tần khác nhau.

iệ

anten phải có kích thước nhỏ, băng thơng rộng và đồng thời lại có khả năng hoạt

Q

uả

Với những yêu cầu thực tế trên, em lựa chọn đề tài ‘’Nghiên cứu thiết kế

n

anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vơ tuyến’’ làm đồ án tốt nghiệp mình,
đồ án được chia làm ba chương:

ị

tr

đồ án sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng anten. Nội dung của báo cáo

Chương 1: Sơ lược về anten vi dải
Chương 2: Phân tích phương pháp tính tính tốn, thiết kế anten vi dải băng
rộng
Chương 3: Thiết kế, mô phỏng anten vi dải băng rộng bằng phần mềm CST
Do một vài yếu tố khách quan và chủ quan nên bản báo cáo vẫn còn tồn tại
nhiều hạn chế. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cơ cũng như các
bạn để bài báo cáo của em được hoàn thiện hơn nữa.

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2

Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018
Sinh viên thực hiên

Lê Thị Hoài

Đ
ồ
án
p

iệ

gh

tn

tố
uả

Q
n
ị

tr

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em muốn được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn
của em là cơ Hồng Thị Phương Thảo – giảng viên Trường Đại học Điện Lực đã
tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô giáo trong và
ngoài trường Đại học Điện Lực đã giảng dạy em trong 4,5 năm qua, những kiến
thức và kinh nghiệm quý báu mà thầy cô đã truyền đạt cho em trên giảng đường đại
học là nền tảng giúp em hoàn thành bài báo cáo này và là hành trang vững chắc cho
em trong bước đường tương lai.

Đ

ồ

Em xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử viễn thơng đã

án

tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em hồn thành đồ án của mình.

tố

Trong q trình thực tập khó có thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong

tn

nhận được sự góp ý của thầy cô cũng như của các bạn.

p

iệ

gh

Em xin chân thành cảm ơn.

uả

Q
n
ị

tr

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI
1.1

Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna)
Các khái niệm đầu tiên về anten vi dải được khởi xướng bởi Deschamps vào

năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955. Nhưng phải 20 năm sau, một anten
ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo.
Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch (mặt bức xạ) rất
mỏng với bề dày t<< λ : bước sóng khơng gian tự do nằm trên Dielectirc Substrate
(lớp chất nền điện mơi) có ε <=10 , phía đối diện với patch là Ground Plane (mặt
phẳng đất). Patch là vật dẫn điện, thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất

Đ
ồ

kỳ.

án
p

iệ

gh

tn

tố
uả

Q
n
ị

tr
Hình 1.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác.
Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vng, hình
chữ nhật, hình trịn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5

Đ
ồ

Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng

án

 Một số ứng dụng của anten vi dải:
Các anten dùng trong thông tin vô tuyến.

-

Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ.

-

Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị.

-

Vũ khí thơng minh .

-

Sử dụng cho GSM hay GPS.

p

iệ

gh

tn

tố

n

Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải

uả

Q

1.2

-

ứng dụng của nó trải khắp dải tần số 100MHz-100GHz.

ị

tr

Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten vi sóng thơng thường và các

 Anten vi dải có các ưu điểm [3]:
-

Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng.

-

Chí phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt.

-

Phân cực tuyến tính và phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn
giản.

-

Anten hoạt động ở nhiều tần số kép và anten phân cực kép có thể thực
hiện dễ dàng.

GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6

-

Có thể dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp vi sóng.

-

Các đường tiếp điện và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể được
cùng thiết kế trên một cấu trúc anten.

-

Linh động giữa phân cực trịn và phân cực thẳng.

-

Tương thích với các thiết bị di động.

 Nhược điểm của anten vi dải [3]
Có băng thơng hẹp.

-

Độ lợi thấp (thường nhỏ hơn 10 dB).

-

Suy hao lớn trong cấu trúc tiếp điện của các anten mảng.

ồ

Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong nửa khơng gian phía trên mặt

án

-

Đ

-

phẳng đất.

tố

Khả năng tản nhiệt của anten vi dải kém.

-

Các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các mối nối còn
khá nhiều.

iệ

gh

tn

-

Khả năng điều khiển điện áp thấp.

-

Độ lợi và hiệu suất giảm, mức độ phân cực chéo cao với anten mảng ở

p

-

ị

tr

Xuất hiện sóng bề mặt.

n

-

uả

Q

tần số cao.

1.3

Một số loại anten vi dải thông dụng

1.3.1 Anten patch vi dải
Anten patch vi dải (Microtrip patch antenna: MPA) bao gồm một patch dẫn
điện dưới dạng hình học phẳng hay khơng phẳng trên một mặt của đế điện môi và
mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7

Hình 1.3 Anten patch vi dải
Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó, anten
patch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vng, chữ nhật, trịn,...) nhưng đặc tính bức

Đ

xạ của chúng hầu như giống nhau. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có

ồ

dạng hình chữ nhật và hình trịn là hai dạng thơng dụng và được sử dụng rộng rãi

án

[3].

p

iệ

gh

tn

tố
uả

Q
n
tr

ị

Hình 1.4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải
1.3.2 Anten khe mạch in
Anten khe mạch in (Printed slot antenna) có cấu tạo gồm một khe trong mặt
phẳng đất của một đế được nối đất, khe này có nhiều hình dạng khác nhau: hình chữ
nhật, hình trịn,... Anten này có thể được tiếp điện bằng sóng dẫn phẳng hay đường
truyền vi dải, bức xạ theo hai hướng hay trên cả hai mặt của khe [3].

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8

Đ

Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in

ồ

án

1.3.3 Anten vi dải lưỡng cực
Anten vi dải lưỡng cực có hình dạng giống với anten patch hình chữ nhật

tn

tố

những khác nhau ở tỉ số L/W. Chiều rộng của anten lưỡng cực so với anten patch
thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong khơng gian tự do.

gh

Đồ thị bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch vi dải giống nhau

Q

cực chéo.

p

iệ

nhưng có các đặc tính khác nhau như: điện trở bức xạ, băng thơng và bức xạ phân

uả

Anten vi dải lưỡng cực thích hợp với các ứng dụng tần số cao do chúng sử

n

dụng miếng đế điện mơi có bề dày tương đối nên đạt được băng thông đáng kể [3].

ị

tr
Hình 1.6 Anten vi dải lưỡng cực

1.3.4 Anten vi dải sóng chạy
GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9

Anten vi dải sóng chạy (Microtrip traveling-Wave antenna: MTA) gồm các
dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải đủ dài và rộng để có thể hỗ trợ chế độ
truyền TE. Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được mắc tải có
điện trở được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten [3].

Đ
ồ
án

tố

1.4

Hình 1.7 Anten vi dải sóng chạy

Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải

tn

Hiện nay, các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là:

gh

cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-

iệ

coupling),ghép gần (proximiti-coupling).

p

Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải

Q

1.4.1

uả

Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất

n

trong mơi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần. Đường truyền vi dải

ị

tr

là cấu trúc mạch in cấp cao, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại

khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi
là mặt phẳng đất. Mặt phẳng đất là mặt phản xạ do đó đường truyền vi dải có thể
được xem là đường truyền gồm hai dây dẫn.
Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h.
Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền. Hai tham
số đơi khi có thể được bỏ qua là độ dày dải dẫn điện t và điện dẫn suất sigma.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10

Feed

Đ

Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải

ồ

1.4.2

Tiếp điện bằng probe đồng trục

án

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền

tố

tải công suất cao tần. Phương pháp này, phần lõi của đầu feed được nối với patch,

tn

phần ngoài nối với mặt phẳng đất của anten vi dải.

iệ

gh

 Ưu điểm:

Đơn giản trong q trình thiết kế.

-

Có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ phối hợp trở

p

-

n
ị

tr

 Nhược điểm:

uả

Q

kháng.

-

Vì dùng đầu feed hàn vào patch nên có phần dư ra phía ngồi làm anten
khơng hồn tồn phẳng và mất tính đối xứng.

-

Khi cần cấp nguồn trong thiết kế mảng sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng
lên gây khó khăn cho việc thiết kế và giảm độ tin cậy.

-

Khi cần tăng băng thông của anten đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền dẫn
đến bức xạ rò và điện cảm của probe tăng lên và tăng chiều dài lõi cáp.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11

Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục
1.4.3

Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling)
Phương pháp này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ bức xạ không cần

Đ

thiết của đường vi dải. Cấu trúc gồm hai lớp điện môi, patch được đặt trên cùng,

ồ

mặt phẳng đất ở giữa có một khe hở nhỏ, khe ghép ln đặt dưới và chính giữa bản

án

kim loại nhằm giảm phân cực chéo do tính đối xứng, đường tiếp điện ở lớp điện

p

iệ

gh

tn

tố

môi dưới.

uả

Q
n
tr

ị

Hình 1.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe
 Ưu điểm: thông thường lớp điện mơi trên có hằng số điện mơi thấp hơn lớp
điện môi dưới nên hạn chế bức xạ không mong muốn.
 Nhược điểm: phương pháp khó thực hiện do phải làm nhiều lớp, làm tăng độ
dày của anten. Phương pháp sử dụng cho băng hẹp.
1.4.4

Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling)
Bản chất của phương pháp là ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và

patch. Cấu trúc này gồm hai lớp điện môi, đường patch nằm ở miếng điện môi trên
đường tiếp điện ở giữa hai lớp điện môi.

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12

Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần
 Ưu điểm:
-

Loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện.

-

Đ

ồ

Cho băng thông rộng (khoảng 13%).

án

 Nhược điểm:

Khó khăn trong việc thiết kế và thi cơng vì đường tiếp điện nằm trong

tố

-

1.5

gh

tn

hai lớp điện mơi và làm anten có chiều dày hơn.
Anten patch hình chữ nhật

iệ

p

Anten patch hình chữ nhật là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một

Q

phiến dẫn điện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất. Có nhiều phương pháp tiếp

uả

điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường

n

truyền vi dải. Phần tiếp điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra khỏi patch.

ị

tr

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13

(a)

Đ
ồ
án
(c)

gh

tn

tố
(b)

iệ

Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật
Phân bố trường ở mode cơ bản

(b)

Phân bố dòng trên bề mặt patch

(c)

Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (Z) theo chiều dài patch

p

(a)

uả

Q
n

Hình 12. a, điện trường bằng không ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một

tr

ị

cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện. Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và
cực tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten. Điện trường mở
rộng ra cả bên ngồi mặt phân giới điện mơi- khơng khí. Thành phần điện trường
mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ.
Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng
hưởng rị. Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hóc cộng hưởng là mode TM10.
Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn. TM tượng trung cho phân bố từ trường
ngang, có 3 thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và
y trong hệ tọa độ Đề các, trục x và y song song với mặt phẳng đất, trục z vng góc
với mặt phẳng đất. Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo
GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

14

trục z coi như không đáng kể. Do đó, kí hiệu TM nm chỉ sự biến đổi của trường theo
hướng x và y, sự biến đổi của trường theo hướng y không đáng kể nên m=0, trường
biến đổi chủ yếu theo hướng x nên ở mode cơ bản n=1.
Hình 12- b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường)
trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải,
trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần
cạnh phải. Từ biên độ của dòng áp ta có thể tìm được trở kháng. Trở kháng đạt cực
tieru ở giữa patch và cực đại ở gần hai cạnh. Có một điểm nằm ở vị trí dọc theo trục
x tại đó trở kháng là 50 Ohm ta có thể đặt tiếp điện tại đó.
1.6

Nguyên lý bức xạ anten vi dải

Đ

ồ

Lựa chọn đế điện mơi sử dụng có bề mặt mỏng và hệ số điện môi tương đối

án

cao giúp bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn. Vì thế, trong một

tố

anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện mơi có hệ số từ thẩm thấp. Bức xạ anten

tn

vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới

gh

dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch.

iệ

Xem anten vi dải như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều

p

rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L, trường bức xạ anten vi dải chính

Q

uả

là tổng trường bức xạ từ hai phần tử mảng, trong đó mỗi phần tử biểu diễn cho một
khe. Khi hai khe giống nhau ta có thể tính trường tổng cộng bằng cách dùng hệ số

n
tr

mảng cho hai khe.

ị

Trường điện vùng xa bức xạ bởi mỗi khe được tính theo mật độ dòng tương
đương như sau:
⃗
E =⃗
Er + ⃗
E θ+ ⃗
Eϕ

(1-1)

Er =E ϕ=0

(1-2)

− j k0 r

E ϕ= j

k 0 hW E0 e
2 πr

Với X =

{

sinθ

sin( X ) sin (Z )
X
Z

k0 h
k W
sin θ cos ϕ ; Z= 0 cos ϕ
2
2

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

}

(1-3)
(1-4)

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15

Khi chiều cao rất nhỏ (k0h <<1), cơng thức trên được rút gọn cịn:

− j k0 r

E ϕ=+ j

V0e
πr

{

sin
sinθ

(

k0 W
cosθ
2
X

)

}

(1-5)

Trong đó V0 = hE0 là điện áp qua khe.
Hệ số mảng cho hai thành phần cùng biên độ và pha lệch nhau một khoảng
cách Le dọc theo hướng y là :
( AF ) y =2 cos

( k 2L sinϕsinθ)
0

e

(1-6)

Đ

ồ

Với Le là chiều dài hiệu dụng. Khi đó tổng trường điện cho hai khe (cũng như

án

cho anten vi dải) là :

tố

− j k0 r

k hW E0 e
E =+ j 0
πr

)

p

k0W
cosϕ
2

uả

Q

Z=

} (

(1-7)

iệ

k0 h
sinθcosϕ
2

X=

k L
sinX sin (Z )
cos 0 e sinϕsinθ
X
Z
2

gh

Với

{

sinθ

tn

t
ϕ

{

sinθ

( k 2W cosθ) cos k L sinϕsinθ
(2
)
cosθ
0

}

ị

2V0e
πr

sin

tr

t

E ϕ ≈+ j

− j k0 r

n

Khi (k0h << 1) thì công thức trên trở thành:

0

e

(1-8)

 E - plane ¿)
Đối với anten vi dải, mặt phẳng x-y (θ=90 ° ,0 ° ≤ ϕ ≤ 90 ° , 270 ≤ ϕ ≤ 360 °) là mặt
phẳng I chính và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở công thức trên trở thành:

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Etϕ ≈+ j

− j k0 r

2 V 0 k0 W e
πr

16

{

( k2h cosθ) cos k L sinϕsinθ
(2
)
k h
cosθ

sinθ

}

0

sin

0

2

0

e

(1-9)

 H - plane ϕ =¿ 90 ° , 0 ° ≤θ ≤ 180° ,
Mặt phẳng H chính của anten vi dải là mặt phẳng x-z (ϕ =¿

90 ° ,

0 ° ≤θ ≤ 180° ) và trong mặt phẳng này trường bức xạ ở (1.35) trở thành :

− j k0 r

k W V0e
t
E ϕ ≈+ j 0
πr

sinθ

Đ
ồ

( k2h cosθ) sin ( k 2W cosθ)
0

0

k 0h
sinθ
2

k0 W
cosθ
2

}

(1-10)

Các mơ hình phân tích anten vi dải
Mơ hình đường truyền (Transmission line)

tố

1.7.1

án

1.7

{

sin

tn

Anten vi dải hình chữ nhật có hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truyền vi

gh

dải, những anten loại này có thể được mơ hình như một phần của đường truyền

iệ

sóng. Mơ hình đường truyền sóng là một trong những mơ hình trực quan nhất trong

p

phân tích anten vi dải và nó tương đối chính xác với lớp điện mơi mỏng. Mơ hình

uả

Q

đường truyền sóng rất đơn giản và hữu ích trong việc xem xét hoạt động cơ bản của
anten vi dải. Mơ hình này xem anten vi dải như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp,

n

mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L [2].

ị

tr

 Hiệu ứng viền

Trường tại gờ của patch bị viền do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều
dài và chiều rộng, viền là một hàm theo kích thước của patch, chiều cao của lớp
điện mơi và hằng số điện môi. Hiệu ứng viền ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng
hưởng của anten.

Hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp nền và phần của một số
đường nằm ở ngồi khơng khí. Khi L/h>>1, ε r>>1, những đường sức điện tập trung
đa phần trong lớp nền điện môi. Hằng số điện môi hiệu dụng dược sử dụng để hiệu
chỉnh các ảnh hưởng của hiệu ứng viền đối với sóng trên đường truyền.

GVHD: Ts. Hồng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

17

Giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải với kích thước và chiều cao trên mặt
phẳng đất ban đầu của nó được đưa vào một lớp điện môi đồng nhất. Hằng số điện
môi hiệu dụng là hàm của tần số, khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đường sức
điện trường tập trung trong lớp nền điện mơi. Vì vậy đường truyền vi dải gần giống
với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hằng số điện mơi hiệu dụng tiến
tới giá trị hằng số điện môi nền.
Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là ε cơ bản, tần số tăng thì hằng số
điện mơi hiệu dụng càng tiến tới giá trị hằng số điện môi của chất nền.
Hằng số điện mơi hiệu dụng được tính theo cơng thức sau:

Đ

ε +1 ε −1
h
ε reff = r + r
1+ 12

2
2
W

ồ

[

]

1
2

(1-11)

với W /h ≫1

án

 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng

tố

tn

Trong mặt phẳng Oxy do hiệu ứng viền, kích thước patch của anten vi dải về

gh

mặt điện lớn hơn so với kích thước vật lý. Do đó chiều dài điện của patch vượt so

(1-12)

W
( ε reff +0.3 ) h + 0.264

(

uả

( ε reff

)
W
−0.258 ) ( +0.8 )
h

Q

∆ L=0.412 h

p

iệ

với chiều dài vật lý một khoảng ∆ L về mỗi phía và được tính theo cơng thức:

n
ị

tr

Khi đó, chiều dài của patch lúc này sẽ là: Lreff =L+2 ∆ L

Hình 1.13 Chiều dài tấm patch được mở rộng về hai phía
Giả sử, mode ưu thế là TM010 tần số cộng hưởng của anten vi dải là hàm của
chiều dài:

GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo

SVTH: Lê Thị Hoài