Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ tinh

Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Mục lục
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 1
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Lời nói đầu
Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong các thập kỉ gần
đây. Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu nhận hoặc trao đổi thông
tin với bất kì nơi nào trên quả đất. Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng dịch vụ, không
những khai thác dịch vụ dân sự mà cả các dịch vụ phục vụ quốc phòng, an ninh, hàng
không, hàng hải, khai thác thăm dò địa chất,v.v… Ngày nay, các hệ thống, các mạng
thông tin vệ tinh đang được kết nối với mạng cố định và di động mặt đất làm cho khả
năng truyền thông ngày càng phong phú.
Một trong những phân hệ quan trọng nhất trên vệ tinh, đó là phân hệ anten. Các
anten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép: thu đường lên và phát đường xuống. Nguyên
lý hoạt động của anten trong các hệ thống viễn thông nói chung không có gì khác nhau.
Phụ thuộc vào các yêu cầu phát và thu sóng cụ thể mà có sự lựa chọn thiết kế thích hợp.
Dải tần công tác của thông tin vệ tinh là thuộc sóng siêu cao, do đó, tất cả các loại anten
sóng siêu cao về nguyên lý có thể sử dụng trong thông tin vệ tinh. Các loại anten thường
được sử dụng trên vệ tinh thường gặp là dạng khe bức xạ (loa), anten có mặt phản xạ,
anten thấu kính hoặc anten dàn.
Với yêu cầu “thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ
tinh”, ở đây em lựa chọn thiết kế anten vi dải với tấn số trung tâm là 5 GHz. Phần mềm
sử dụng để thiết kế là CST Microwave Studio. Nội dung bài báo cáo gồm 4 chương:
- Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten
- Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh
- Chương 3: Anten vi dải
- Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã định hướng cho em hoàn
thành bài tập lớn này bằng kiến thức và bài giảng trên lớp của thầy. Tuy nhiên, bài báo
cáo và bài tập của em không tránh khỏi những sai xót, khuyết thiếu. Em mong nhận
được sự đóng góp của thầy để bài tập trở lên hoàn thiện hơn.

Sinh viên thực hiện
Lê Trung Kiên
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 2
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten
1.1 Giới thiệu về anten
Anten là một hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận các sóng điện từ.
Anten là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện, bởi vì
thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền lan từ nơi phát
đến nơi thu. Một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu,
anten phát và anten thu (hình 1.1).
Hình 1.1. Hệ thống truyền tin đơn giản
Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến anten thông qua
hệ thống feeder dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiện vụ biến đổi sóng
điện từ ràng buộc trong feeder thành sóng từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của
anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Tại nơi thu, anten thu
làm nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không
gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền
theo feeder tới máy thu.
Yêu cầu của thiết bị anten – feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng
lượng sóng điện từ với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu.
Anten sử dụng trong các hệ thống thông tin khác nhau phải có những yêu cầu khác
nhau. Trong các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh, truyền hình, thì yêu cầu
anten phải có bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất) để cho mọi hướng đều
có thể thu được tín hiệu của đài phát. Nhưng trong mặt phẳng thẳng đứng anten lại phải
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 3
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
có bức xạ định hướng sao cho hướng cực đại trong mặt phẳng này song song với mặt
đất, để máy thu thu được tín hiệu lớn nhất và giảm được năng lượng bức xạ hướng
không cần thiết, giảm được công suất máy phát, giảm được can nhiễu. Tuy nhiên, trong

các hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm như hệ thống thông tin vi ba, thông tin vệ
tinh, rađa yêu cầu anten anten bức xạ với tính hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập
trung vào một góc rất hẹp trong không gian.
Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn thuần là chuyển đổi sóng điện từ ràng
buộc thành sóng điện từ tự do và ngược lại mà phải bức xạ sóng điện từ theo những
hướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật đề ra.
1.2 Sự bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ một 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.
Hình 1.2. Quá trình bức xạ sóng điện từ
Ví dụ xét một mạch dao động L, C như chỉ ra trong hình 1.2, nếu đặt vào một sức
điện động biến đổi thì giữa hai má tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn không gian
trong lòng cuộn dây sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng trường điện từ này hầu
như không bức xạ ra bên ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử của mạch. Dòng điện
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 4
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ,
nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ
trường tập trung chủ yếu trong lòng cuộn dây. Năng lượng của toàn bộ hệ thống sẽ được
bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn cảm và tổn hao trong chất
điện môi trong tụ điện.
Nếu mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như chỉ trong hình 1.2b thì dòng điện
dịch được biểu thị trùng với đường sức điện trường, sẽ không dịch chuyển trong khoảng
không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan toả ra môi trường bên ngoài và có
thể truyền tới những điểm khá xa nguồn (nguồn sinh ra điện trường chính là các điện
tích trên hai má tụ điện). Tiếp tục mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như hình
1.2c thì dòng điện dịch sẽ lan toả càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ
lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên được truyền lan với
vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ tự khép kín và

không bị ràng buộc bởi nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với điện tích trên hai má tụ
điện nữa. Còn các đường sức ở gần tụ điện không tự khép mà bắt nguồn từ điện tích
dương trên má tụ và kết thúc ở má tụ có điện tích âm. Do đó giá trị của điện trường ở
những điểm nằm trên đường sức ấy sẽ biến thiên theo sự biến thiên của điện tích trên hai
má tụ điện. Còn những điểm ở cách xa nguồn, ví dụ tại điểm M có thể đạt một giá trị
nào đó trong lúc điện tích trên hai má tụ điện lại biến đổi qua giá trị không. Các đường
sức tự khép kín, nghĩa là đã hình thành một điện trường xoáy. Theo quy luật biến thiên
(được biểu thị bởi các phương trình Maxwell) thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ
trường biến đổi, từ trường biến đổi lại tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là hình thành
quá trình truyền lan sóng điện từ.
Trường điện từ thoát khỏi sự ràng buộc của nguồn, tự nó khép kín gọi là trường điện
từ tự do, năng lượng của trường điện từ này gọi là năng lượng bức xạ. Phần năng lượng
này là năng lượng có ích và được sử dụng cho thông tin vô tuyến.
Trường điện từ bị ràng buộc bởi nguồn gọi là trường điện từ ràng buộc. Năng lượng
của trường điện từ này gọi là năng lượng vô công.
Vậy một thiết bị bức xạ điện từ là thiết bị trong đó điện trường hoặc từ trường biến
thiên có khả năng thâm nhập.
1.3 Các tham số cơ bản của anten
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 5
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính và
tham số của nó. Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten.
• Hàm hướng tính
Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vô hướng hay có hướng, và ở hướng
nào anten bức xạ là cực đại, hướng nào anten không bức xạ để có thể đặt đúng vị trí
anten. Muốn vậy ta phải biết hướng tính của anten đó. Một trong các thông số đặc tả
hướng tính của anten là hàm hướng tính.
Hàm hướng tính là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của
anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được ký
hiệu là f(θ,φ).

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:
Trong trường hợp tổng quát, hàm hướng tính là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành
phần theo θ và φ
Hàm hướng tính biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độ
trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính là biên độ
của hàm hướng tính phức (cụ thểhơn là modun của hàm hướng tính phức).
Để đơn giản cho việc khảo sát hướng tính của một anten cũng như thiết lập và phân
tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm số biểu thị
biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ trường ở hướng cực
đại.
Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.
• Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 6
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hàm hướng tính cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn cảm
nhận được bằng trực thị hướng tính của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ thị phương
hướng được vẽ bởi hàm hướng tính.
Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc
công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố
định (tính từ anten). Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có
dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông thường, đồ thị
phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều. Đó là đồ thị hướng tính hai
chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễ
dàng trên giấy (hình 1.3).
Hình 1.3 Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực
Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm hướng tính biên độ chuẩn
hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten. Nó cho phép so sánh đồ
thị phương hướng của các anten khác nhau.
Từ đồ thị phương hướng trên hình 1.3 nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi
theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau. Vì vậy để đánh giá dạng của đồ

thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị
phương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng. Độ rộng búp sóng được xác định bởi
góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm
đi một giá trị nhất định. Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rộng
búp sóng nửa công suất được sử dụng. Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 7
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ
cực đại. Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độ rộng búp sóng này ứng với
góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điện trường giảm đi 2 lần so với giá
trị cực đại. của anten trong tọa độ cực.
Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với
công suất sẽ giảm 3 dB. Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là độ
rộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là (hình 1.4).
Hình 1.4 Độ rộng của đồ thị phương hướng
Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo một
hướng nào đó, nếu góc càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạ càng mạnh.
• Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten
Công suất đặt vào anten do máy phát đưa trực tiếp đến anten hoặc thông thường qua
feeder cung cấp cho anten. Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao tần từ máy phát
thành năng lượng bức xạ sóng điện từ không thể tránh các tổn hao do nhiệt bởi vật dẫn,
chất điện môi của anten, và phần mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiện phụ
như thanh đỡ bộ chiếu xạ, bản thân bộ chiếu xạ… Vì vậy, công suất là bao gồm cả công
suất tổn hao và công suất bức xạ .
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 8
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của anten tương tự như công suất
tiêu hao trên một điện trở tương đương nào đó. Khi ấy ta có thể viết
Đại lượng được gọi là điện trở bức xạ của anten, nó chỉ mang tính chất tượng trưng
và ở một mức độ nào đó có thể dùng để đánh giá khả năng bức xạ của anten.

Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng
đặc trưng của nó là hiệu suất làm việc. Hiệu suất của anten, , chính là tỷ số giữa công
suất bức xạ, và công suất máy phát đưa vào anten,
Hay:
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten. Thông
thường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1.
• Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích của anten
Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng. Để biểu
thị hướng tính của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóng người ta đưa vào
hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số tăng ích (hay độ lợi). Các hệ
số đó cho phép đánh giá tính phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm
xa nào đó của trường bức xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý
tưởng (hoặc anten chuẩn). Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại
anten thích hợp cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng.
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóng điện
từ đồng đều ở tất cả các hướng. Anten lý tưởng được xem như nguồn bức xạ vô hướng
hoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
- Hệ số hướng tính
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 9
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ
của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với
khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten là như nhau.
Trong đó:
là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng với khoảng cách
và là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ,φ), khoảng cách và
mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
- Hệ số tăng ích của anten
Hệ số tăng ích của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của
anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với

khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của 2 anten là như nhau và
anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1.
Hệ số tăng ích của anten cho thấy rằng anten có hướng tính sẽ bức xạ năng lượng tập
trung về hướng được chọn và giảm năng lượng bức xạ ở các hướng khác.
Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại của anten nên
sau này, khi chỉ dùng các kí hiệu và , đó chính là hệ số hướng tính và hệ số tăng ích ở
hướng cực đại.
• Trở kháng vào của anten
Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua feeder, anten sẽ trở
thành tải của máy phát hoặc máy thu. Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đại
lượng gọi là trở kháng vào của anten. Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một
đại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữa
điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 10
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten,
điểm và phương tiếp điện cho anten.
Thành phần thực của nó bao gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao. Thành
phần ảo của nó biểu thị phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài.
• Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong 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. Công suất này được định nghĩa:
Trong đó là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và là hệ số khuếch đại
của anten phát. Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao feeder nối từ máy phát đến anten thì .
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với anten
vô hướng, trong trường hợp này có thể coi .
Biểu thức cũng có thể tính theo đơn vị decibel
• Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng
Khi anten làm việc ở chế độ thu, công suất hay sức điện động cảm ứng lên anten sẽ

phụ thuộc vào năng lượng trường điện từ do phía phát tạo ra tại nơi đặt anten thu và khả
năng làm việc của anten thu. Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi một
tham số gọi là diện tích hiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten. Nếu anten là
anten bức xạ mặt thì công suất thu được tại anten sẽ là tích của mật độ thông lượng công
suất với diện tích hiệu dụng của anten thu.
Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:
Trong đó là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, là hiệu suất làm việc
của anten.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 11
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số tăng ích của anten thu được biểu thị bởi
biểu thức
Trong đó là diện tích hiệu dụng của anten ()
là hệ số tăng ích của anten thu
là bước sóng công tác (m)
• Dải tần công tác
Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mà trong khoảng tần
số đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm vi cho phép.
Thường dải tần công tác của anten được phân làm bốn nhóm:
- Anten dải hẹp
tức
- Anten dải tần tương đối rộng
tức
- Anten dải rộng

- Anten dải rất rộng

Trong đó và , , là tần số trung tâm, tần số cực đại và cực tiểu của dải tần.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 12
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh

Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh
2.1 Phân cực sóng
Trong vùng trường xa của một anten phát, sóng điện từ có dạng sóng điện từ
ngang (TEM). Vùng trường xa là vùng tại khoảng cách lớn hơn so với anten, trong đó
là kích thức một chiều lớn nhất của anten còn là bước sóng. Ký hiệu sóng TEM được
cho ở hình 2.1, trong hình này ta có thể thấy cả hai trường và đều vuông góc với nhau
và vuông góc với phương truyền sóng được ký hiệu là
Hình 2.1 Biểu đồ vecto đối với sóng điện từ ngang (TEM)
và là các vectơ tạo nên tập bàn tay phải tuân theo quy tắc vặn nút chai bàn tay
phải. Nghĩa là khi ta nhìn theo phương truyền sóng , quay sẽ đến . Sóng này sẽ giữ
nguyên các thuộc tính hướng của tập bàn tay phải ngay cả khi bị phản xạ.
Tại các khoảng cách xa hơn so với anten phát, là các khoảng cách thường gặp
trong các hệ thống vô tuyến, có thể coi sóng TEM là phẳng. Điều này có nghĩa là các
vectơ và nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng . Vectơ được coi là
vuông góc với mặt phẳng này. Quan hệ giữa các đại lượng E và H là : , trong đó Ôm.
Phương của đường do đầu mút của trường điện vẽ lên sẽ xác định phân cực sóng.
Trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian. Trường từ thay đổi đồng
pha với trường điện và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, vì thế ta chỉ cần
xét trường điện. Đầu mút của vectơ có thể vẽ lên một đường thẳng, trong trường hợp
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 13
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
này ta có phân cực tuyến tính. Các dạng phân cực khác như phân cực elip và tròn sẽ
được xét phần dưới.
Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng
được gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngang
được gọi là phân cực trong đó trường điện song song với mặt đất. Mặc dù các thuật ngữ
phân cực đứng và ngang này cũng được sử dụng trong thông tin vệ tinh nhưng nó không
hoàn toàn rõ ràng như trên. Một sóng phân cực tuyến tính được phát đi từ vệ tinh địa
tĩnh có thể được ký hiệu là đứng nếu trường điện của nó song song với trục cực của trái
đất nhưng thậm chí như vậy trường điện của nó vẫn song song với quả đất tại xích đạo.

Giả thiết rằng phương ngang và đứng được coi là trục x và y. Trường điện phân
cực đứng có thể được trình bày như sau:
trong đó là vectơ đơn vị trong phương đứng và là giá trị đỉnh hay đại lượng của trường
điện. Tương tự như vậy, sóng phân cực ngang có thể được trình bày như sau:
trong đó là vectơ đơn vị theo phương ngang và là đại lượng của trường điện trong
phương này. Cả hai trường này đều vẽ nên các đường thẳng. Bây giờ ta xét trường hợp
khi cả hai trường đều có mặt đồng thời. Chúng sẽ cộng với nhau theo vectơ và trường
tổng sẽ là vectơ hợp với trục ngang một góc được xác dịnh như sau:
Bây giờ ta đi xét trường hợp trong đó hai trường có biên độ bằng nhau (ký hiệu là
E) nhưng một trường nhanh pha hơn . Các phương trình thể hiện chúng trong trường hợp
này như sau:
Áp dụng phương trình (2.3) cho trường hợp này ta được α=ωt. Biên độ vectơ tổng
là E. Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn và sóng tổng hợp được gọi là
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 14
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
phân cực tròn. Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơ
điện nhưng điều này đòi hỏi ta phải quan sát cả chiều quay của vectơ. Theo định nghĩa
của IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC: right-hand circular) là phân cực quay theo
chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng, còn phân cực tròn tay trái
(LHC: left-hand circular) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo
phương truyền sóng. Các phân cực LHC và RHC trực giao với nhau. Phương truyền
sóng dọc theo trục z dương.
Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có thể có phân cực elip. Điều này
xảy ra khi hai thành phần tuyến tính là:
Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ số giữa trục chính và trục phụ của elip. Phân cực
elip trực giao xảy ra khi một sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng phương quay ngược
chiều.
Các đường truyền thông tin vệ tinh sửdụng phân cực tuyến tính và phân cực tròn,
nhưng sự giảm cấp truyền dẫn có thể làm thay đổi phân cực này thành phân cực elip.
2.2 Các anten loa

Hình 2.2 Các anten loa a) Nón vách nhẵn b) Vách gấp nếp c) Hình pyramid
Anten loa là môt thí dụ về anten mặt mở với sự chuyển đổi từ từ ống dẫn sóng
vào mặt mở lớn hơn để ghép hiệu quả với không gian. Các anten loa được sử dụng trực
tiếp làm các bộ phát xạ trên vệ tinh để chiếu xạ cho các vùng rộng lớn của quả đất và
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 15
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
chúng cũng được sử dụng rộng rãi làm các chiếu xạ tiếp sóng cho các anten phản xạ cả ở
chế độ phát lẫn chế độ thu. Ba kiểu được sử dụng rộng rãi nhất của các anten loa được
cho ở hình 2.2
• Các anten loa hình nón
Anten nón vách nhẵn được cho ở hình 2.2a. Thuật ngữ vách nhẵn để nóí về vách bên
trong anten. Loa có thể được tiếp sóng từ ống dẫn sóng chữ nhật nhưng khi này cần bộ
chuyển đổi từ chữ nhật vào tròn tại nơi nối. Phương pháp được ưa dùng hơn cả là tiếp
sóng trực tiếp bằng ống dẫn sóng tròn với ống dẫn sóng làm việc ở chế độ . Anten loa
hình nón có thể được sử dụng với phân cực tuyến tính hay phân cực tròn nhưng ở đây ta
chỉ xét phân cực tuyến tính.
Phân bố điện trường tại miệng mở của loa được vẽ ở hình 2.3a cho phân cực đứng.
Các đường sức cong có thể được phân thành các thành phần thẳng đứng và nằm ngang
như trên hình vẽ. Sóng TEM tại vùng trường xa có phân cực tuyến tính, nhưng các thành
phần ngang của trường ở mặt mở anten sẽ dẫn đến các sóng phân cực vuông góc tại
vùng trường xa. Do tính đối xứng, các sóng phân cực vuông góc loại trừ nhau trong các
mặt chính (các mặt E và H); tuy nhiên chúng tạo ra bốn đỉnh: mỗi đỉnh nằm trong góc
phần tư xung quanh búp chính.
Hình 2.3 Trường ở mặt mở trong anten loa hình nón: a) vách nhẵn b) thiết diện
giao thoa vách gấp nếp c) vách gấp nếp
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 16
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Loa vách nhẵn không tạo ra búp chính đối xứng ngay cả khi bản thân nó đối xứng.
Các mẫu phát xạ là các hàm phức tạp phụ thuộc vào kích thước của loa. Không đối xứng
và phân cực vuông góc là nhược điểm của loa cho việc đảm bảo phủ toàn cầu.

Loa vách gấp nếp cho phép khắc phục phần nào các nhược điểm nói trên. Thiết diện
của anten loa gấp nếp được cho ở hình 2.3b. Trường điện tại góc mở của loa gấp nếp
được cho ở hình 2.3c.
• Các anten loa pyramid
Anten loa pyramid (hình 2.4) được thiết kế trước hết cho phân cực tuyến tính. Tổng
quát nó có thiết diện ngang a×b và làm việc ở chế độ ống dẫn sóng . Độ rộng búp của
anten pyramid khác nhau ở mặt E và mặt H, nhưng có thể chọn kích thước mặt mở để
làm cho chúng bằng nhau. Loa pyramid có thể làm việc ở chế độ phân cực đứng và phân
cực ngang đồng thời để được hai phân cực tuyến tính.
Hình 2.4 Loa pyramid
2.3 Anten parabol
• Bộ phản xạ parabol
Các bộ phản xạ parabol được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh để nâng cao
khuyếch đại anten. Bộ phản xạ đảm bảo cơ chế hội tụ để tập trung năng lượng vào một
phương cho trước. Dạng phản xạ parabol thường được sử dụng là dạng mặt mở hình
tròn. Đây là dạng thường gặp trong các hệ thống thu tín hiệu TV từ vệ tinh gia đình. Cấu
hình mặt mở tròn được gọi là bộ phản xạ parabol tròn xoay.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 17
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Tính chất chính của bộ phản xạ parabol tròn xoay là tính chất hội tụ. Giống như đối
với ánh sáng trong đó các tia khi đập lên bộ phản xạ sẽ hội tụ vào một điểm duy nhất
được gọi là tiêu điểm và ngược lại khi các tia được phát đi từ tiêu điểm sẽ được phản xạ
thành các tia song song.
• Tiếp sóng lệch tâm
Hình 2.5a cho thấy bộ phản xạ parabol tròn xoay với feeder loa đặt tại tiêu điểm.
Đối với trường hợp này mẫu phát xạ của loa lệch tâm để chiếu xạ phần trên của bộ phản
xạ. Loa tiếp sóng và phần giá đỡ nó được đặt ở vùng cách xa búp chính vì thế không gây
che chắn. Với bố trí tiếp sóng tại tâm được trình bày ở phần trên, sự che tối thường dẫn
đến giảm 10% hiệu suất và tăng phát xạ ở các búp bên. Bố trí lệch tâm tránh được điều
này. Hình 2.5b cho thấy một mô hình của anten lệch tâm để sử dụng cho vệ tinh Olypius

của châu Âu.
Nhược điểm chính của tiếp sóng lệch là cần có giá đỡ chắc hơn để đảm bảo hình
dạng của bộ phản xạ và do không đối xứng, phân cực vuông góc khi tiếp sóng bằng một
phân cực tuyến tính sẽ tồi hơn so với trường hợp anten tiếp sóng chính tâm. Có thể đưa
vào bù trừ phân cực ở tiếp sóng sơ cấp để hiệu chỉnh phân cực vuông góc hay đưa vào
cấu trúc anten một lưới lọc phân cực. Nhờ ưu điểm của mình, tiếp sóng lệch tâm được sử
dụng ở nhiều vệ tinh. Nó cũng được sử dụng với các anten trạm mặt đất có bộ phản xạ
kép và được sử dụng ngày càng nhiều cho các anten trạm mặt đất chỉ thu.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 18
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hình 2.5 a) Các tia phản xạ từ bộ phản xạ lệch tâm b) Tiếp sóng lệch tâm cho bộ
phản xạ parabol tròn xoay
2.4 Các anten với bộ phản xạ kép
Trong các anten với bộ phản xạ kép, feeder nối loa tiếp sóng đến thiết bị phát thu
phải đảm bảo càng ngắn càng tốt để giảm thiểu tổn hao. Điều này đặc biệt quan trọng
đối với các trạm mặt đất lớn khi cần công suất phát lớn và tạp âm thu rất nhỏ. Hệ thống
một phản xạ xét ở trên không đạt được điều này, và hệ thống phản xạ kép cho phép đạt
được điều này nhưng đắt tiền hơn. Loa tiếp sóng được đặt ở phía sau bộ phản xạ chính
qua một lỗ hổng ở đỉnh (hình 2.6). Lắp phía sau cho phép đạt được cấu trúc tiếp sóng
chắc chắn, đây là một ưu điểm khi cần sử dụng các anten cho phép quay và việc bảo
dưỡng cũng dễ hơn. Bộ phản xạ phụ được lắp phía trước bộ phản xạ chính nói chung có
kích cỡ nhỏ hơn loa tiếp sóng và gây ra che tối ít hơn. Có hai kiểu chính được sử dụng là
anten Cassegrain và Gregorian mang tên của các nhà thiên văn học đầu tiên phát triển
chúng.
Hình 2.6 Anten Cassegrain 19m
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 19
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
2.5 Anten dàn
Ta có thể đạt được sự tạo hình búp bằng cách sử dụng dàn các phần tử cơ sở. Các
phần tử này được bố trí sao cho các mẫu phát xạ của chúng đảm bảo tăng cường phát xạ

về một số hướng nhất định và loại trừ sự phát xạ ở các hướng khác. Hầu hết các dàn
anten sử dụng trong thông tin vệ tinh là dàn loa. Cũng có thể sử dụng các dàn làm các
feeder cho các anten phản xạ như dàn loa ở hình 2.7.
Hình 2.7 Anten lệch trục Gregorian
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 20
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Chương 3: Anten vi dải
3.1 Giới thiệu
Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước nhỏ, dải tần rộng thực chất là một
kết cấu bức xạ kiểu khe. Điểm mạnh của loại anten này là cấu trúc ổn định, và nhất là
phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các
IC chuyên dụng. Ngoài ra anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten, cho
phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý
số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong hệ thống CDMA.
Hình dạng thật của một loại anten vi dải:
Hình 3.1 Anten vi dải
3.2 Đặc tính của anten vi dải
• Cấu trúc anten vi dải
Về cấu tạo, anten vi dải gồm các phần chính là bản mặt kim loại rất mỏng (bề dày
t<<λ
0
, với λ
0
-bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất
nhỏ (thường 0,003λ
0
< h <0,05λ
0
), lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp
điện.

Các loại anten vi dải : loại bản mặt chữ nhật, vuông, tròn, ellipse, hình vành khăn …
Tuy nhiên loại phổ biến nhất là anten có bản mặt chữ nhật và hình vuông do dễ phân tích
và chế tạo.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 21
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hình 3.2 Anten vi dải và hệ tọa độ
Hình 3.3 Hình dạng của các loại anten vi dải
• Trường bức xạ của anten vi dải
Để tính toán trường bức xạ của anten vi dải có nhiều cách khác nhau như phương
pháp phần tử hữu hạn, phương pháp moment, phương pháp mô hình hóa đường truyền
… Mô hình đường truyền và hốc cộng hưởng thích hợp cho các anten bản mặt vuông và
chữ nhật.
Đối với anten phân cực thẳng, bản mặt chữ nhật, Vector cường độ trường
E=E
r
+E
Φ
+E
θ
(3.1)
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 22
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
E
r
= E
θ
= 0 (3.2)
E
Φ
=jk

0
E
0
.

sinθ.cos(k
0
L
E
sinθ sinΦ) (3.3)
Với :
X = k
0
h sinθ cosΦ (3.4)
Z = k
0
cosθ (3.5)
E
Φ
(r, θ, Φ) = E
θ0
.[a
Φ1
(2cos(ka.sinθ cosΦ))+a
Φ3
(2cos(ka.sinθ sinΦ))] = F
Φ
(θ,
Φ) (3.6)
Với : a = ; E

θ0
= E
0
a
Φ1
= a
Φ2
=cosθ sin Φ (3.7)
a
Φ3
= a
Φ4
= jcosθ cosΦ (3.8)
3.3 Ưu nhược điểm của anten vi dải
• Ưu điểm :
- Khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất .
- Có thể cho phân cực tuyến tính và phân cực tròn .
- Công nghệ chế tạo hoàn toàn phù hợp với các mạch tích hợp cao tần .
- Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với
việc chế tạo anten .
• Khuyết điểm :
- Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp .
- Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten
- Có các bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối .
- Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp .
3.4 Các kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải
Một số kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải được thể hiện ở hình 3.4
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 23
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hình 3.4 Một số kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải

3.5 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải
Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt
phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 24
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần. Việc cung cấp năng
lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của
patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất. Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình
thành do các lực tương tác giữa các điện tử cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một
số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của
patch. Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vecto mật
độ dòng mặt dưới và vecto mật độ dòng mặt .
Hình 3.5 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật
Do hầu hết các anten tỷ số là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế và
hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch bề mặt. Và như thế, chỉ
có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm
hình thành một trường nhỏ có nhiều tiếp tuyến với các rìa của patch. Do vậy, để đơn
giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp
tuyến này có thể thành lập các bức tường xung quanh các chu vi của patch. Các giả định
này càng hợp lí hơn trong trường hợp để điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi
lớn. Tương tự như trường hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so
với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không
đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt của patch. Từ các điều kiện của trường
điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng với
các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với bề mặt
của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp tuyến gần
như bằng không). Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ có các mode TM
là có thể truyền trong hốc cộng hưởng.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 25