Thiết kế và mô phỏng anten vi dải ở tần số 900, 1800 MHz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
#"





NGUYỄN THANH THÁI




THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI
Ở TẦN SỐ 900, 1800 MHz

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT)
MÃ SỐ: 60 44 03


LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH VẬT LÝ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT)


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ HỮU PHÚC


THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009

LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian học tập cao học tại khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại
Học Khoa Học Tp Hồ Chí Minh, các thầy như vừa mở ra cho tôi một chân trời mới. Ở
đó tôi được sống trong môi trường năng động sáng tạo, cùng các bạn tiếp cận những kỹ
thuật hiện đại. Và tất nhiên không thể thiếu sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy
chuyên sâu về Vô Tuyến Điện Tử. Đó là những kiến thức thật sự quí giá và hữu ích
trong cuộc sống cũng như trong công việc của tôi. Tôi chân thành gủi lời cảm ơn đến quý
thầy và kính chúc các thầy thật nhiều sức khoẻ.
Nhân đây tôi muốn gửi lời tri ân đến người thầy, người đã quan tâm lo lắng và tận
tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài, thầy TS. Lê Hữu Phúc. Tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy.
Một lần nữa cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, ba mẹ, bạn bè tất cả
những người thân yêu đã chỉ bảo quan tâm giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đề tài này.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2009

Nguyễn Thanh Thái


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU viii U
MỞ ĐẦU ix U
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1
1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI 1

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI 3
1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC 3
1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 4
1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE 6
1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN 7
1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 7
1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG 9
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 11
2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 11
2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 12
2.1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 15
2.1.3 KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 20
2.1.4. TỔNG TRỞ NGÕ VÀO CỦA ANTEN VI DẢI 22
2.2 MÔ HÌNH HỐC CỘNG HƯỞNG 27
2.2.1 ĐẶC TÍNH TRƯỜNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG TƯƠNG ĐƯƠNG 27
2.2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN VI DẢI 33
2.3 CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA ANTEN VI DẢI 37
2.3.1 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG 37


ii
2.3.2 ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SÓNG 39
2.3.3 SUY HAO VÀ HỆ SỐ PHẨM CHẤT Q 40
2.3.4 HIỆU SUẤT BỨC XẠ 42
2.3.5 BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ LỢI 42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ V À M Ô PH ỎNG 44
3.1. GIỚI THIỆU 44 U
3.2. LỰA CHỌN LỚP ĐIỆN MÔI 47
3.3. LỰA CHỌN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG (TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG) 51
3.4. TÍNH CHIỀU RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 51

3.5. TÍNH HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 52
3.6. TÍNH CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG CỦA ANTEN VI DẢI 52
3.7. TÍNH CHIỀU DÀI PHẦN MỞ RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 53
3.8. TÍNH CHIỀU DÀI THỰC TẾ CỦA ANTEN VI DẢI 54
3.9. TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA MẶT PHẲNG ĐẤT 55
3.10. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO ANTEN VI DẢI 55
3.10.1. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI DÀI
4/
λ
56
3.10.3. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐẶT LỆCH ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 57
3.10.4. PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG INSET-FEED 59
3.11. CÁC THÔNG SỐ KHÁC 60
3.11.1 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 60
3.11.2. HIỆU XUẤT BỨC XẠ, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỘ LỢI 62
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM IE3D 64
4.1. PHƯƠNG PHÁP MOMENT 64
4.2 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 900 MHz 67
4.2.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 68
4.2.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 69
4.2.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 69


iii
4.2.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 71
4.2.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 72
4.2.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 73
4.2.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 74
4.2.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76
4.3 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 1800 MHz 78

4.3.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 79
4.3.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 80
4.3.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 80
4.3.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 82
4.3.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 83
4.3.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 84
4.3.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 85
4.3.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 87
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90
KẾT LUẬN 90
HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91



iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang
TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang
TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang
MOM Moment Of Method Phương pháp moment
FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn
AF Array Factor Hệ số dãy
2D Two Dimensional Hai chiều
3D Three Dimensional Ba chiều
VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng
BW Bandwidth Băng thông

v
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật 2
Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng 3
Hình 1.3 Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương 4
Hình 1.4 Anten vi dải với đường tiếp điện vi dải và mạch tương đương 5
Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải 5
Hình 1.6 Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương 6
Hình 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương 7
Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải 8
Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải 9
Hình 2.1 Mô hình đường truyền sóng 12
Hình 2.2 Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải 13
Hình 2.3 Đường truyền vi dải 13
Hình 2.4 Hiệu ứng đường biên của anten vi dải 14
Hình 2.5 Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải 14
Hình 2.6 Đường truyền vi dải 15
Hình 2.7 Cấu trúc và mô hình truyền sóng (TEM) của đường truyền vi dải [6] 17
Hình 2.8 Phân bố điện trường 21
Hình 2.9 Mạch tương đương của mô hình đường truyền sóng 22
Hình 2.10 Anten vi dải với đường cấp nguồn inset-feed 26
Hình 2.11 Phân bố điện tích và mật độ dòng trên anten vi dải 28
Hình 2.12 Mô hình hộp cộng hưởng của anten vi dải 28
Hình 2.13 Mô hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải 33
Hình 2.14 Dòng tương đương tại hai khe bức xạ 34
Hình 2.15 Bức xạ từ một khe 35
Hình 2.16 Mẫu bức xạ của anten vi dải trong mặt phẳng E và H [7] 37
Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật của chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 45

Hình 3.2 Giao di ện chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 46


vi
Hình 3.3 Anten vi dải với đường cấp nguồn
4/
λ
56
Hình 3.4 Anten vi dải với đường cấp nguồn đặt lệch khỏi điểm giữa 58
Hình 3.5 Anten vi dải với kỹ thuật cấp nguồn inset-feed 59
Hình 3.6 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 61
Hình 3.7 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 61
Hình 3.8 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 62
Hình 3.9 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 62
Hình 4.1 Cấu trúc của anten vi dải 900 MHz dùng trong mô phỏng 68
Hình 4.2 Đồ thị thông số S của anten vi dải 900 MHz 68
Hình 4.3 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 900 MHz 69
Hình 4.4 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900 MHz với
φ
= 0
0
70
Hình 4.5 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900MHz với
φ
= 90
0
70
Hình 4.6 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 900 MHz trong toạ độ xyz 71
Hình 4.7 Độ lợi của anten vi dải 900 MHz 72
Hình 4.8 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 900 MHz 73

Hình 4.9 Đồ thị hướng tính của anten vi dải 900 MHz 74
Hình 4.10 Mẫu bức xạ 3D của anten vi dải 900 MHz 75
Hình 4.11 Phân bố dòng trên anten vi dải 900 MHz 75
Hình 4.12 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 900 MHz 76
Hình 4.13 So sánh mẫu bức xạ H plane của anten vi dải 900 MHz 77
Hình 4.14 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 900 MHz 78
Hình 4.15 Cấu trúc của anten vi dải 1800 MHz dùng trong mô phỏng 79
Hình 4.16 Đồ thị thông số S của anten vi dải 1800 MHz 79
Hình 4.17 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 1800 MHz 80
Hình 4.18 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 1800 MHz với
φ
= 0
0
81
Hình 4.19 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 1800MHz với
φ
= 90
0
81
Hình 4.20 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 1800 MHz trong toạ độ xyz 82
Hình 4.21 Độ lợi của anten vi dải 1800 MHz 83
Hình 4.22 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 1800 MHz 84


vii
Hình 4.23 Đồ thị hướng tính của anten vi dải 1800 MHz 85
Hình 4.24 Mẫu bức xạ 3D của anten vi dải 1800 MHz 86
Hình 4.24 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 1800 MHz 86
Hình 4.25 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 900 MHz 87
Hình 4.26 So sánh mẫu bức xạ H plane của anten vi dải 1800 MHz 88

Hình 4.27 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 1800 MHz 89



viii
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1 Các đặc tính của một số loại vật liệu điện môi 49
Bảng 2 Các loại vật liệu điện môi thông dụng dùng trong thiết kế anten vi dải. 50
Bảng 3 Chiều rộng của anten vi dải hình chữ nhật 51
Bảng 4 Hằng số điện môi hiệu dụng 52
Bảng 5 Chiều dài của anten vi dải 53
Bảng 6 Phần mở rộng chiều dài của anten vi dải 54
Bảng 7 Chiều dài của anten vi dải 54
Bảng 8 Kích thước của mặt phẳng đất 55
Bảng 9 Độ rộng đường truyền vi dải
4/
λ
57
Bảng 10 Khoảng độ lệch z của đường truyền vi dải so với anten 59
Bảng 11 Vị trí của inset-feed 60
Bảng 12 Độ định hướng, độ lợi và hiệu suất của anten 63
Bảng 13 So sánh kết quả mô phỏng trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải
và phần mềm IE3D 77
Bảng 14 So sánh kết quả mô phỏng anten trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten
vi dải và phần mềm IE3D 88

ix
MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo thì công việc thiết kế
và mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng. Trước khi chế tạo thử nghiệm một sản phẩm
nào đó thì thông thường người ta sẽ thiết kế sản phẩm đó trước rồi mới tiến hành mô
phỏng. Sau khi mô phỏng đạt kết quả tốt người ta mới tiến hành sản xuất thử nghiệm. Có
như vậy mới có thể tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất thử nghiệm. Hơn nữa,
trong một số lĩnh vực việc tiến hành thử nghiệm trong thực tế gặp rất nhiều khó khăn và
không an toàn thì giải pháp dùng máy tính để thiết kế và mô phỏng trước là một giải pháp
vừa an toàn, vừa hiệu quả.
Phương pháp thiết kế và mô phỏng phải được tiến hành và giải quyết theo từng
yêu cầu cụ thể, thậm chí với cùng một yêu cầu có thể có nhiều phương pháp thiết kế và
mô phỏng khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và khuyết điểm riêng. Việc
chọn lựa phương pháp thiết kế và mô phỏng tuỳ thuộc vào mục đích và khả năng của
người thực hiện.
Hiện nay, anten được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
trong hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông, trong
các hệ thống mimo. Tuy nhiên, trước khi chế tạo thử nghiệm một mẫu anten thông
thường người ta phải qua quá trình thiết kế và mô phỏng. Các mô hình tương đương dùng
trong phân tích và mô phỏng anten nhằm mục đích giảm bớt các chu trình thử nghiệm,
đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung cấp các nguyên lý hoạt động
của anten. Các mô hình này có khả năng dự đoán trước các đặc tính bức xạ của anten
như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào, băng thông, mạch tương hỗ và hiệu
xuất của anten…
Đối với anten vi dải (microstrip antenna) để đánh giá hoạt động của nó người ta
thường dùng hai mô hình phổ biến sau: mô hình đường truyền sóng (transmission line
model), mô hình hốc cộng hưởng (cavity model). Ngoài ra còn có mô hình toàn sóng (full
wave model) dùng trong phân tích anten vi dải và mô hình này được chia thành các

x
phương pháp như sau: phương pháp moment (MoM), phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD)…Trong các kỹ thuật
phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền sóng là đơn giản nhất nhưng độ chính
xác không cao. Mô hình hốc cộng hưởng chính xác hơn nhưng cũng khó áp dụng cho các
anten có hiệu ứng ghép cặp. Mô hình toàn sóng là chính xác nhất, có khả năng phân tích
nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng rất phức tạp. Nó đòi hỏi thời gian tính toán lâu
do đó mô hình này thường được áp dụng trong các phần mềm thương mại. Tuy nhiên, mô
hình toàn sóng lại cho ít hiểu biết về vật lý hơn mô hình đường truyền sóng và mô hình
hốc cộng hưởng. Mặc dù hai mô hình này cho kết quả kém chính xác hơn.
Hiện nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về anten vi dải như: mô phỏng truyền
sóng điện từ bằng phương pháp FDTD – Áp dụng khảo sát anten vi dải và mạch lọc ở
siêu tần của Phạm Ngọc Sơn (Trường ĐH KHTN TP HCM), phân tích anten vi dải của
Hà Huy Hùng (Trường ĐH BK TPHCM), sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi
dải của Nguyễn Chương Đỉnh (Trường ĐH BK TPHCM), thiết kế thử nghiệm anten vi
dải của Vũ Đình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú (Trường ĐH BK
TPHCM) Tuy nhiên, các đề tài này chủ yếu áp dụng phương pháp FDTD trong mô
phỏng anten vi dải hình chữ nhật. Nhược điểm của phương pháp này là phải biết trước
kích thước vật lý của anten. Do đó, đề tài của tác giả sẽ tập trung nghiên cứu mô hình
đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng để áp dụng trong thiết kế và mô phỏng
anten vi dải hình chữ nhật. Hai mô hình này tương đối đơn giản nhưng có khả năng tính
toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ nhật.
Nhiệm vụ của đề tài là phải tính toán thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ
nhật dựa vào hai mô hình này. Tuy nhiên, để kiểm chứng kết quả mô phỏng được đề tài
sẽ sử dụng thêm một phần mềm thương mại IE3D. Phần mềm này ứng dụng phương
pháp momment trong mô hình toàn sóng để tính trường bức xạ của anten vi dải.
Đề tài được thực hiện dựa trên sự trợ giúp của phần mềm Matlab, phiên bản 7.0.
Nội dung lý thuyết của đề tài được trích dẫn dựa trên nhiều nguồn tài liệu sách báo khác

nhau, các phần trích dẫn quan trọng sẽ có chú thích rõ ràng. Các nguồn tài liệu được tác


xi
giả sưu tầm trên mạng và qua sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè, đặc biệt là của
thầy hướng dẫn đề tài.
Nội dung của đề tài gồm:
• Tìm hiểu về anten vi dải và các phương pháp phân tích hoạt động của anten vi
dải.
• Khảo sát mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng.
• Áp dụng các kết quả thu được để tính toán thiết kế và mô phỏng một anten vi
dải hình chữ nhật
• Mô phỏng anten vi dải đã thiết kế ở trên bằng phần mềm IE3D để kiểm chứng
kết quả
Đề tài được chia làm bốn chương. Quan trọng nhất là chương hai, chương này
trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng áp dụng vào cho anten
vi dải hình chữ nhật.
• Chương 1: Giới thiệu tổng quan về anten vi dải.
• Chương 2: Trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng
áp dụng cho anten vi dải hình chữ nhật để tính toán các thông số đặc trưng của
anten.
• Chương 3: Áp dụng các kết quả thu được để thiết kế chương trình tính toán và
mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật
• Chương 4: Ứng dụng chương trình IE3D để mô phỏng anten vi dải đã thiết kế
và kiểm chứng kết quả mô phỏng ở chương 3.



1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI
Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ những
năm 1970, mặc dù những thiết kế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ những
năm 1950. Ngày nay, anten vi dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là trong
lĩnh vực hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây
là loại anten có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc đơn giản, rẻ
tiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in. Ngoài ra, anten loại này còn có sự
linh hoạt về tần số cộng hưởng, khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn
đơn giản, các đường cấp nguồn và các mạch phối hợp trở kháng có thể thực hiện đồng
thời cùng với việc chế tạo anten.
Tuy nhiên, anten dạng này cũng có một số nhược điểm như: hiệu xuất thấp (do suy
hao của điện môi và điện dẫn), khả năng tích trữ công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn
nuôi (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải…), băng thông hẹp (khoảng một vài phần
trăm), hầu hết đều bức xạ trong nữa không gian phía trên mặt phẳng đất, một số loại có
độ lợi thấp…
Anten vi dải được ứng dụng trong dải tần GHz (f > 0.5 GHz). Đối với những tần
số thấp hơn thì kích thước của anten trở nên quá lớn.
1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI
Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ và
được chế tạo trên một bản mạch in. Thực chất anten vi dải là một dạng anten có kết cấu
bức xạ kiểu khe.
Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch)
được đặt trên một lớp điện môi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiếp điện. Cấu


2
trúc điển hình của một phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật được cho trong hình
1.1

Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật
Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều
rộng W, bề dày của bản kim loại t, độ dẫn điện của bản kim loại
σ
, chiều dày lớp điện
môi h, hằng số điện môi
ε
, suy hao tiếp tuyến (loss tangent) của lớp điện môi tan(
δ
).
Bản kim loại rất mỏng, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng truyền trong không gian
tự do (t <<
0
λ
). Tuy nhiên, độ dày này phải ít nhất lớn hơn một vài lần so với độ sâu của
lớp mặt ngoài vì nếu độ dày của bản kim loại nhỏ hơn độ sâu của lớp mặt ngoài thì những
tổn thất thuần trở sẽ làm giảm hiệu suất bức xạ của anten. Chiều dài L của bản kim loại
thường trong khoảng (
0
λ
/3 < L <
0
λ
/2).
Chiều dày lớp điện môi h và hằng số điện môi
ε
đóng vai trò quan trọng trong các
thông số bức xạ của anten. Độ dày h của lớp điện môi thường trong khoảng (0.002
0

λ
< h
< 0.1
0
λ
), hằng số điện môi
ε
thường trong khoảng (2.2 <
ε
< 12). Lớp điện môi dày với
hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng, suy hao
do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn. Những vật liệu có
hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 và lớn hơn 12 thường không phổ biến trong những thiết kế
thương mại.


3
Ngoài ra anten vi dải còn có các hình dạng khác như: hình vuông, hình tròn, hình
tam giác, hình vành khăn, hình ellip …được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI
Có nhiều phương pháp cấp nguồn (tiếp điện) hay truyền năng lượng điện từ cho
anten vi dải. Bốn phương pháp phổ biến nhất là: cấp nguồn bằng đường truyền vi dải, cấp
nguồn bằng probe đồng trục, cấp nguồn bằng phương pháp ghép gần, cấp nguồn bằng
phương pháp ghép khe.
1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC
Probe đồng trục là một kỹ thuật rất phổ biến thường được dùng để cấp nguồn cho
anten vi dải. Một dây dẫn điện bên trong đầu nối đồng trục được kéo dài xuyên qua lớp
điện môi và được hàn với bản kim loại bức xạ phía trên, còn phần bên ngoài đầu nối được

nối với mặt phẳng đất như trong hình 1.3. Thuận lợi chính của kỹ thuật tiếp điện này là
đường tiếp điện có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào bên trong bản kim loại nhằm mục đích phối
hợp trở kháng với tổng trở ngõ vào của nó. Phương pháp tiếp điện này rất dể sản xuất và
ít gây bức xạ không mong muốn. Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của kỹ thuật này là cho
băng thông hẹp, khó khoan một lỗ nhỏ trong lớp điện môi, hàn dây dẫn bên trong đầu nối
đồng trục vào bản kim loại và để đầu nối vừa nhô ra phia bên ngoài mặt phẳng đất. Đối


4
với những lớp điện môi dày (h > 0.02
0
λ
) kỹ thuật này lại càng khó thực hiện bởi vì chiều
dài của dây dẫn bên trong đầu nối dài hơn làm thay đổi tổng trở ngõ vào ảnh hưởng đến
vấn đề phối hợp trở kháng.



Hình 1.3 Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương
1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI
Trong kỹ thuật tiếp điện này, một đường dẫn điện vi dải được nối trực tiếp với
cạnh của anten vi dải như trong hình 1.4. Chiều rộng của đường truyền này phải nhỏ hơn
chiều rộng của anten vi dải.



5

Hình 1.4 Anten vi dải với đường tiếp điện vi dải và mạch tương đương
Phương pháp này tiện lợi khi đường truyền vi dải có thể được thực hiện trên cùng

một lớp điện môi. Để phối hợp trở kháng có thể sử dụng kỹ thuật đường truyền một phần
tư bước sóng (
4/
λ
- quarterwave line), đặt lệch vị trí của đường cấp tín hiệu so với điểm
trung tâm (offset feed line) hay cắt sâu vào chiều rộng của bản kim loại một đoạn (inset
feed line) như hình 1.5. Các kỹ thuật này rất dễ chế tạo và sản xuất cũng như dễ dàng
trong việc phối hợp trở kháng. Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm gia tăng sóng bề mặt,
những bức xạ không mong muốn và ảnh hưởng đến băng thông. Ngoài ra chúng ta có thể
cấp nguồn cho anten vi dải bằng các kỹ thuật không tiếp xúc để hạn chế những vấn đề
này.


a. Quarterwave feed line b. Inset feed line

c. Offset feed line
Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải



6
1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE
Trong kỹ thuật này, bản kim loại bức xạ và đường tiếp điện vi dải được đặt tách
biệt nhau bởi một mặt phẳng đất như hình 1.6. Việc ghép bản kim loại và đường cấp tín
hiệu được thực hiện thông qua một khe trong mặt phẳng đất. Khe ghép luôn đặt ở giữa và
dưới bản kim loại nhằm giảm bớt phân cực chéo do cấu trúc đối xứng. Khoảng ghép giữa
đường tiếp điện và bản kim loại được xác định bằng kích thước và vị trí của khe. Mặt
phẳng đất tách biệt so với đường truyền và bản kim loại nên bức xạ không mong muốn là
cực tiểu. Thông thường, vật liệu có hằng số điện môi lớn và dày dùng cho lớp dưới còn
vật liệu có hằng số điện môi nhỏ và mỏng hơn sử dụng ở lớp trên nhằm tối ưu bức xạ từ

bản kim loại. Bất lợi chính của phương pháp này là khó sản xuất, chế tạo do có nhiều lớp,
cũng chính vì vậy mà làm cho anten trở nên dày hơn. Loại tiếp điện này có băng thông rất
rộng.


Hình 1.6 Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương




7
1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN
Trong kỹ thuật này, đường cấp tín hiệu được đặt giữa hai lớp điện môi và bản kim
loại bức xạ được đặt ở lớp điện môi trên cùng như hình 1.7. Ưu điểm của phương pháp
này là cho băng thông rộng và loại bỏ bức xạ trên đường tiếp điện. Kỹ thuật này cho phép
chọn hai lớp điện môi khác nhau cho bản kim loại bức xạ và cho đường truyền tín hiệu
nhằm mục đích tối ưu những hoạt động riêng rẽ của hai phần tử này. Việc phối hợp trở
kháng có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh chiều rộng của đường cấp tín hiệu và tỉ số
chiều dài và rộng của bản kim loại. Khó khăn chính của phương pháp này là việc chế tạo,
sản xuất bởi vì nó có tới hai lớp điện môi và cũng làm cho anten dày hơn.


Hình 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương
1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI
Anten vi dải được chế tạo bằng cách ăn mòn một lớp đồng trên một nền điện môi.
Kích thước và hình dạng của anten phụ thuộc vào tần số cộng hưởng và các thông số bức
xạ. Để nghiên cứu hoạt động của anten vi dải ta xét một anten vi dải hình chữ nhật điển
hình như hình 1.8. Nó có một đường cấp nguồn được điều hợp ở 50 . Sự phối hợp trở
Ω

8
kháng thu được giữa điểm đầu của anten và đường cấp nguồn bằng cách đặt đường cấp
nguồn lệch khỏi điểm giữa một khoảng.

Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải
Sóng cần truyền đi di chuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống
phía dưới. Sau đó nó tiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ
trở lại và phần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do. Sóng phản xạ dội lại và tiến vào
anten cho đến khi nó tắt dần như hình 1.9. Một phần năng lượng cộng hưởng này quay
trở lại nguồn, một phần bị triệt tiêu trong lớp điện môi và phần còn lại bức xạ ra không
gian tự do.
Tần số của sóng tại điểm cộng hưởng thì điện trường xung quanh các cạnh có biên
độ cực đại. Do đó, điện trường bức xạ sẽ lớn nhất tại tần số cộng hưởng.



9

Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải
1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG
HƯỞNG
Khi áp sóng có bước sóng sắp sỉ một nữa chiều dài của anten thì anten vi dải cộng
hưởng ở nhiều sóng
2/
λ
đó là:
λ
,
2/3

λ
, …Những tần số cộng hưởng này tạo nên các
mode của anten.
Nếu điện trường áp vào chỉ có thành phần theo hướng x và từ trường chỉ có thành
phần theo hướng y thì sóng sẽ lan truyền theo hướng z. Mode từ ngang (TM) tồn tại khi
trường H
x
bằng không và mode điện ngang (TE) tồn tại khi trường E
y
bằng không. Do đó,
anten vi dải có trường H
x
bằng không nên chỉ có mode TM.
Điện trường ở vùng dưới bản kim loại tại tần số cộng hưởng được cho bởi [8]:

)cos()cos(
0
L
yn
W
xm
EE
z
π
π
=
(1.1)
Với m, n = 0, 1,2, …Là các mode của anten. Giá trị n biểu diễn sự cộng hưởng dọc
theo chiều dài của anten và giá trị m biểu diễn sự cộng hưởng dọc theo chiều rộng của
anten.

Do đó, tần số cộng hưởng của anten được xác định như sau :


10

r
mnmn
c
kf
επ
2
= (1.2)
Với:
222
)()(
L
n
W
m
k
mn
π
π
+=

Công thức trên tính gần đúng những tần số cộng hưởng nhưng với giả thuyết là
các bức tường từ xung quanh bản kim loại là hoàn hảo và do đó không tính đến các
trường biên ở các cạnh của anten. Vì thế, tác giả James [14] đã đề xuất một công thức cải
tiến như sau :

Δ+
=
1
1
)()(
01
LW
ff
rr
r
rr
εε
ε
(1.3)
Với :

⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
++
+
+
−
+=Δ 88.1ln758.0
1)1(164.0
882.0
2
h
W
W
h
r
r
r
r
πε
ε
ε
ε
(1.4)

()
⎟
⎠
⎞

⎜
⎝
⎛
−
+
+
=
h
L
FL
rr
r
2
1
2
1
εε
ε
(1.5)

()
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+
+

=
h
W
FW
rr
r
2
1
2
1
εε
ε
(1.6)

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
>
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
≤

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
1121
1104.0121
2
1
2
2
1

h
a
a
h
h
a
h
A
a
h
h
a
F




11
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH
ANTEN VI DẢI
Các mô hình tương đương dùng trong phân tích anten vi dải nhằm mục đích giảm
bớt các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung
cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải. Các mô hình này có khả năng dự đoán
trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào,
băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten…
Trong thực tế để đánh giá hoạt động của anten vi dải có hai mô hình phổ biến sau:
mô hình đường truyền vi dải, mô hình hốc cộng hưởng. Ngoài ra còn có các phương pháp
khác phân tích toàn sóng anten vi dải như: phương pháp moment (MoM), phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian
(FDTD)…Trong các kỹ thuật phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền vi dải là

đơn giản nhất nhưng độ chính xác không cao. Mô hình hốc cộng hưởng chính xác hơn
nhưng cũng khó áp dụng cho các anten có hiệu ứng ghép cặp. Mô hình toàn sóng là chính
xác nhất, có khả năng phân tích nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng rất phức tạp.
Nó đòi hỏi thời gian tính toán lâu do đó mô hình này thường được áp dụng trong các
phần mềm thương mại. Mô hình đường truyền vi dải, mô hình hốc cộng hưởng tương đối
đơn giản nhưng có khả năng tính toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ
nhật.
2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG
Anten vi dải hình chữ nhật có hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truyền vi dải.
Do đó, những anten loại này có thể được mô hình như một phần của đường truyền sóng.
Mô hình đường truyền sóng là một trong những mô hình trực quan nhất trong phân tích
anten vi dải và nó tương đối chính xác đối với lớp điện môi mỏng.
Mô hình đường truyền sóng rất đơn giản và hữu ích trong việc xem xét hoạt động
cơ bản của anten vi dải. Mô hình này xem anten vi dải như một mảng gồm có hai khe bức
xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L như hình 2.1.


12
Đơn giản hơn mô hình đường truyền sóng xem anten vi dải như hai khe bức xạ cách nhau
bởi một tổng trở Z
c
trên một đường truyền có chiều dài L.

Hình 2.1 Mô hình đường truyền sóng
Theo hình 2.1, z là hướng lan truyền sóng điện từ của đường truyền sóng. Trong
mô hình đường truyền sóng, những khe bức xạ của anten vi dải biểu diễn đầu mút ở hai
bên đường truyền tổng trở rất cao. Do đó, cấu trúc này có đặc tính cộng hưởng phụ thuộc
chủ yếu vào chiều dài L dọc theo trục z. Tuy nhiên, do hiệu ứng đường biên nên tần số
cộng hưởng phụ thuộc theo chiều dài L không thật sự chính xác. Hiệu ứng đường biên
làm cho chiều dài thực tế của bản kim loại dài hơn chiều dài vật lý L

eff
> L.
2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG
Khi kích thước của anten là hữu hạn dọc theo chiều dài và chiều rộng thì trường
bức xạ ở cạnh của anten chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng đường biên. Điều này được minh
hoạ trong hình 2.2, hai khe bức xạ của anten vi dải chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đường
biên dọc theo chiều dài. Hiệu ứng đường biên là một hàm phụ thuộc vào kích thước của
bản kim loại và chiều cao của lớp điện môi. Đối với mặt phẳng chính E (mặt phẳng xy)
thì hiệu ứng đường biên là một hàm phụ thuộc chiều dài L của bản kim loại, chiều cao h
của lớp nền (L/h) và hằng số điện môi
r
ε
của lớp nền. Khi anten vi dải có
1/
<
<hL
thì
hiệu ứng đường biên giảm. Tuy nhiên, hiệu ứng đường biên này cũng phải được tính đến
vì nó ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten. Hiệu ứng đường biên này được áp
dụng tương tự đối với chiều rộng của anten vi dải.