ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN LOGA CHU KỲ MẠCH IN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN LOGA
CHU KỲ MẠCH IN
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN TẤT THẮNG
Lớp ĐT9 – K51
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội - tháng 6 năm 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… ……
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………….… ………………………
…………
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………

……………… ….
………………………………………………………………………………………………
…………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………
………………………………
Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………
……………………… ….
………………………………………………………………………………………………
………………………… ……….……………………………
4. Họ tên giảng viên hướng dẫn :……………………………………………………… …
5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
6. Ngày hoàn thành đồ án: …………………………………………………………… …
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Khoá:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:









Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự nở rộ của các công nghệ không dây, kéo theo đó là các thiết bị
không dây tích hợp các dịch vụ đa phương tiện nhằm thỏa mãn những nhu cầu ngày
càng cao của con người. Khởi đầu là công nghệ AMTS chỉ cung cấp các dịch vụ
thoại, tiếp đó là công nghệ GSM, CDMA cung cấp dịch vụ thoại và SMS, các công
nghệ không dây hiện nay như WCDMA, OFDM –CDMA, MIMO-OFDM, … đã,
đang và sẽ cung cấp các dịch không dây với dung lượng đường truyền cao. Nhưng
dường như tất cả là chưa đủ cho nhu cầu của con người, vẫn cần một công nghệ
không dây để có thể kết nối tất cả các thiết bị với tốc độ truyền trung bình hàng
trăm Mbit/giây và tiêu tốn ít năng lượng. Công nghệ băng thông siêu rộng ra đời
nhằm thỏa mãn nhu cầu đó. Công nghệ băng thông siêu rộng ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực: Truyền thông, Rada quân sự, kết nối các thiết bị trong gia đình (Tivi,
máy tính, camera, máy ảnh, …), mạng vô tuyến cảm biến, … trong đồ án này anten
được thiết kế cho các công nghệ ứng dụng đường truyền tầm nhìn thẳng (line of

sight) trong dải tần UWB.
Để phát triển công nghệ băng thông siêu rộng thì 1 bước quan trọng đầu tiên đó
là thiết kế anten hoạt động ở dải tần UWB(3,1-10,6 GHz), Với mục đích ứng dụng
trong các ứng dụng tầm nhìn thẳng nên đặc biệt yêu cầu thiết kế là anten phải có
đặc tính bức xạ định hướng cao. Anten loga chu kì được thiết kế theo công nghệ
mạch in có thể đạt được dải tần UWB , đặc tính bức xạ hướng rất. Tuy nhiên việc
thiết kế anten gặp phải khó khăn là trong dải tần này đã có những băng tần được
dành cho các công nghệ ra đời trước đó như Wimax, WLAN. Chính vì vậy đòi hỏi
loại bỏ băng tần trùng lặp để tránh chồng lấn tần số được đưa ra khi nghiên cứu
thiết kế anten băng thông siêu rộng. Trông đồ án này, tôi thực hiện tính toán, phân
tích thiết kế đưa ra 1 mô hình anten loga chu kì vi dải có khoét 2 khe hình chữ U
như 2 bộ lọc để loại bỏ 2 băng tần, sử dụng phần mềm Ansoft HFSS (tính toán
trường điện từ theo phương pháp phần tử hữu hạn) để mô phỏng. Mô hình anten
cuối cùng có băng thông bao chùm dải tần từ 3.1GHz đến 10.6GHz, đồng thời loại
5
bỏ được 2 băng tần 3.31 GHz - 3.98 GHz và 5.03 GHz – 5.97 GHz, bức xạ mang
tính đặc trưng của anten loga chu kì định hướng trên toàn bộ băng tần làm việc.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đào
Ngọc Chiến, người đã trực tiếp định hướng đồ án, giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể
hoàn thành đồ án của mình. Tôi xin cám ơn ba mẹ, những người sinh thành ra tôi;
gia đình tôi, những người luôn bên tôi, luôn ủng hộ tôi. Tôi cũng xin cám ơn các
anh chị, các bạn trong phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển truyền thông CRD
Tầng 6 – Thư viện Điện tử Tạ Quang Bửu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã
góp ý và chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành đồ án của mình.
Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011
Nguyễn Tất Thắng
6
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Thời gian gần đây, công nghệ băng thông siêu rộng đang trở thành vấn đề được
rất nhiều các nhà nghiên cứu, các phòng thí nghiệm, các nhà sản xuất thiết bị không

dây trên thế giới quan tâm. Với băng thông siêu rộng, các ứng dụng của công nghệ
này có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến hàng trăm Mbit/giây. Các anten của các
thiết bị sử dụng công nghệ này đòi hỏi có dải tần hoạt động bao chùm dải tần số từ
3.1 GHz đến 10.6 GHz. Tuy nhiên, không phải toàn bộ dải tần này được sử dụng
mà có các công nghệ không dây khác đã và đang sử dụng UWB. Chính vì vậy đặt ra
yêu cầu cho công nghệ UWB loại bỏ băng tần.
Trong đồ án này, ta tập trung giải quyết vấn đề anten loga chu kỳ băng thông
siêu rộng bức xạ định hướng và loại bỏ được 2 băng tần. Bằng cách sử dụng các
nguyên lý mở rộng dải tần làm việc và các kỹ thuật thiết kế anten vi dải băng thông
rộng cộng với các điều chỉnh phù hợp với việc thêm vào các khe hình chữ U giúp
tạo ra anten loga chu kỳ vi dải băng thông siêu rộng, bức xạ định hướng, loại bỏ 2
băng tần. Đặc biệt việc đưa ra phương pháp tiếp điện phù hợp cho anten loga chu kỳ
dạng mạch in là một điểm quan trọng cần giải quyết của đồ án. Anten được chế tạo
bằng công nghệ mạch in, dễ chế tạo và giá thành rẻ.
7
ABSTRACT
In recent years, Ultra-wide band technology (UWB) has been being intensively
studied and concerned by lots of researchers, laboratories, and wireless equipment
producers. Thank to Ultra-wide band, this technology’s application can reach data
bit-rate upto hundreds of Mbps. These equipment’s Antennas need to have active
bands covering from 3.1 GHz to 10.6 GHz. However, this band is not fully used at
all; some parts of this have been used by other wireless technologies. That is the
reason why requirement refered to UWB technology is to remove these bands.
In this thesis, I forcused on dealing with derectional radiation UWB antenna
and removing two bands. By using principle of widening bandwidths and designing
stripline UWB antenna techniques, we made suitable adjustments by etching U-
shape slots on the antenna in order to create UWB printed log-periodic antenna
with directional readiation,reject two bands. And the printed log-periodic antenna‘s
feeding method is one of important points of this thesis. The antenna is designed by
printed technology which is convenient for fabrication with low cost.

8
MỤC LỤC
9
DANH SÁCH HÌNH VẼ
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Yêu cầu của anten cho thiết bị băng thông siêu rộng……………………13
Bảng 3.1 Số liệu kích thước anten……………………………………………… 65
10
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
DSSS Direct Sequence Spreading Spectrum
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave
Access
WLAN
Wireless Local Area Network
WPAN
Wireless Persional Area Network
IEEE Institute of Electrical and Electronics
Engineers
GSM Global System for Mobile
MB-OFDM Multi Band-OFDM
MB-UWB Multi Band- UWB
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
FEM Finite Element Method
GPS Global Positioning System
GPS Global System for Mobile Communication
LAN Local Area Network
UWB Ultra Wide Band
FCC Federal Communications Commission

PHẦN MỞ ĐẦU
11
Ngày nay với tốc độ hiện đại hóa và công nghiệp hóa đang diễn ra mạnh mẽ
trên toàn cầu, nhu cầu của con người ngày càng cao với xu hướng phát triển đó.
Trong lĩnh vực truyền thông thông tin cũng vậy, cần phải có một công nghệ cho
phép truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao, công suất thấp. Công nghệ băng thông siêu
rộng (3.1GHz-10.6GHz)ra đời đã đáp ứng được nhu cầu này.
Việc thiết kế và chế tạo anten là một phần quan trọng trong việc ứng dụng băng
thông siêu rộng. Bài toán đặt ra là thiết kế anten cho các ứng dụng truyền dẫn tầm
nhìn thẳng hoạt động trong dải tần này. Tuy nhiên do đã có các công nghệ ứng dụng
các dải tần trong dải tần siêu rộng này như WIMAX và WLAN nên việc loại bỏ các
dải tần này là một trong những nhiệm vụ của việc thiết kế anten. Anten loga chu kỳ
là anten có thể thiết kế để hoạt động trong dải tần rộng đồng thời đặc tính bức xạ
của anten cũng thỏa mãn cho các ứng dụng truyền dẫn tầm nhìn thẳng với tốc độ
cao. Tuy nhiên việc thiết kế và tiếp điện cho anten loga chu kỳ dạng mạch in là một
thách thức lớn cần giải quyết.
Chính vì vậy nhiệm vụ của đồ án này là giải quyết 2 vấn đề:
Một là, Giải quyết vấn đề tiếp điện cho anten loga chu kỳ dạng mạch in.
Hai là, Thiết kế được anten ứng dụng công nghệ băng thông siêu rộng và loại
bỏ 2 dải tần dành cho WIMAX và WLAN.
Nội dung của đồ án được trình bày làm 3 chương:
Chương 1 là chương giới thiệu về công nghệ băng thông siêu rộng. Trong
chương này tôi sẽ nêu sơ lược về lịch sử phát triển, đặc điểm chính và những ứng
dụng của công nghệ băng thông siêu rộng.
Tiếp đến là chương 2, chương này trình bày cơ sở lý thuyết gồm có lý thuyết cơ
bản về trường điện từ và khái quát về phần mềm mô phỏng HFSS.
Cuối cùng là chương 3 trình bày về việc phân tích và thiết kế cùng kết quả mô
phỏng anten bằng phần mềm HFSS. Trong chương này sẽ nêu về nguyên lý hoạt
động của anten loga chu kỳ, việc sử dụng các kĩ thuật để tiếp điện và loại bỏ tần số
để đạt được anten đáp ứng được nhu cầu.

12
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ BĂNG
THÔNG SIÊU RỘNG
Theo hội đồng truyền thông liên bang Mỹ FCC một hệ thống vô tuyến hoạt
động trên băng tần được gọi là siêu rộng UWB thì phải thỏa mãn độ rộng băng tần
của một kênh là:

Trong đó: B là độ rộng băng tần
là tần số trung tâm
1.1 Định nghĩa công nghệ băng thông siêu rộng
Công nghệ băng thông siêu rộng là công nghệ không dây hoạt động ở dải tần
không cần đăng ký từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz, được sử dụng trong các hệ thống vô
tuyến trong nhà tốc độ cao, các hệ thống không dây đòi hỏi tiêu tốn năng lượng cực
ít, các hệ thống Rada dò tìm, định vị trong quân sự, … Công nghệ băng thông siêu
rộng đang mở ra cho con người những hướng phát triển mới trong việc truyền tải dữ
liệu không dây với tốc độ cao trong phạm vi hẹp. Và một bước quan trọng đầu tiên
để phát triển công nghệ này, cũng như các công nghệ không dây khác, đó chính là
thiết kế anten. Và vì vậy yêu cầu đầu tiên của một anten cho ứng dụng công nghệ
băng thông siêu rộng đó là phải hoạt động được ở dải tần 3.1- 10.6 GHz.
Tuy nhiên, do là dải tần không cần đăng kí nên đã có những công nghệ khác sử
dụng tần số trong dải tần này, Đó là các dải tần số: 3.3GHz – 3.7GHz và 5GHz – 6
GHz. Cho nên đặt ra yêu cầu bổ sung cho anten UWB là loại bỏ băng tần này để
tránh can nhiễu giữa các hệ thống.
1.1.1 Lịch sử phát triển
Ngay từ những năm sáu mươi của thế kỉ trước, công nghệ băng thông siêu rộng
đã được áp dụng cho các Rada quân sự để dò tìm và định vị. Một thời gian dài sau
13
đó, công nghệ này vẫn được nghiên cứu nhưng các kết quả nghiên cứu không được
công bố và chủ yếu các nghiên cứu này áp dụng trong quân sự.

Năm 1994 dự án nghiên cứu chính thức đầu tiên về công nghệ băng thông siêu
rộng (UWB) được triển khai nhưng cũng không được công bố.
Tháng 2 năm 2002, Hội đồng truyền thông liên bang Mỹ (FCC) cấp phép cho
công nghệ băng thông siêu rộng, chính thức ra đời “UWB technique”.
Tháng 11 năm 2002, IEEE đưa ra chuẩn 802.15.3a và đề xuất các bộ chuyển
đổi vật lý cho 802.15.3 dựa trên công nghệ băng thông siêu rộng.
Những năm đầu thế kỷ 21, tồn tại độc lập nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu băng
thông rộng như: trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct sequency-DR), xử lý tín hiệu đa
băng (multiband - MB), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)…
Tháng 7 năm 2003, IEEE 802.15.3a đề xuất hợp nhất 2 kĩ thuật : DS-UWB và MB
-OFDM, nhằm đưa ra một kỹ thuật xử lý tín hiệu duy nhất cho chuẩn 802.15.3 kế
thừa các ưu điểm của các kỹ thuật đã có.
Tháng 5, 2004: IEEE đưa ra chuẩn 802.15.4a cho các ứng dụng tốc độ thấp tiêu
tốn cực ít năng lượng cũng dựa trên công nghệ băng thông cực rộng.
Tháng 8 năm 2004: FCC chấp thuận cho các hệ thống sử dụng công nghệ năng
thông siêu rộng đứng độc lập, không phụ thuộc vào các công nghệ khác cũng sử
dụng băng thông siêu rộng.
Từ đây, công nghệ băng thông siêu rộng trở thành một công nghệ mới hứa hẹn
nhiều tiềm năng cho các ứng dụng không dây và nó còn phát triển theo nhiều hướng
khác nhau.
1.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng
Băng thông siêu rộng (UWB) về căn bản khác so với các công nghệ không dây
băng hẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/g. UWB sử dụng một
băng cực kỳ rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu. Do đó, UWB có khả năng truyền
tải nhiều dữ liệu hơn đối với một chu kỳ thời gian so với các công nghệ truyền
thống.
14

Hình 1. 1: Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng
SS – spread Spectrum: trải phổ

NB – Narrowband: Băng hẹp
UWB – Ultra WideBand: băng thông cực dụng
15
Tốc độ truyền dữ liệu qua đường truyền vô tuyến là tỷ lệ thuận với băng thông
của kênh và phụ thuộc theo hàm loga với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Định luận
Shannon). Nhưng độ rộng băng thông của kênh vô tuyến được ấn định trước, các
nhà thiết kế khó có thể thay đổi thông số này trong các hệ thống vô tuyến và các
ứng dụng. Công nghệ Bluetooth, Wi-Fi, điện thoại không dây, một số thiết bị khác
sử dụng các băng tần không đăng ký ở 900MHz, 2,4GHz và 5,1 GHz. Mỗi kênh vô
tuyến bắt buộc chiếm giữ chỉ một dải tần hẹp so với công nghệ UWB. UWB là cách
sử dụng phổ tần số mới và là suy nhất. Dải tần số sử dụng rộng 7,5 GHz, từ 3,1GHz
đến 10,6GHz. Mỗi kênh chiếm độ rộng băng tần hơn 500 MHz, độ rộng băng tần
của kênh phụ thuộc vào tần số trung tâm. Để cho phép băng tần tín hiệu rộng, FCC
yêu cầu rất khắt khe cho việc hạn chế công suất phát. Bởi thế, các thiết bị công nghệ
băng thông siêu rộng có thể làm việc ở dải tần cực rộng trong khi năng lượng phát
ra không đủ lớn như các thiết bị sử dụng công nghệ băng hẹp ở gần như 802.11a/g.
Đây là sự chia sẻ phổ tần số cho phép thiết bị đạt được tốc độ truyền dữ liệu rất cao
nhưng chúng phải đặt ở gần nhau. Sự giới hạn nghiêm ngặt về công suất có nghĩa là
bản thân chúng phải có công suất tiêu thụ thấp. Vì đòi hỏi công suất thấp, đó là lợi
thế để triển khai công nghệ UWB với chi phí thấp. Với các đặc tính công suất thấp,
giá rẻ, tốc độ dữ liệu cao ở khoảng cách giới hạn, công nghệ UWB có thể triển khai
cho các hệ thống tôc độ cao WPAN.
Công nghệ băng thông siêu rộng cho phép sử dụng lại tần số. Các nhóm thiết bị
tương tự nhau có thể sử dụng chung kênh vô tuyến. Do hạn chế về khoảng cách, ở
các vị trí khác nhau có thể dùng chung tần băng tần.
UWB vượt trội so với các công nghệ khác chính nhờ sự ưu việt trong xử lý tín
hiệu. UWB sử dụng kỹ thuật điều chế xung nhiều băng và kỹ thuật điều chế đa sóng
mang nhiều băng . Tín hiệu xung trong UWB có chu kỳ nhỏ, cỡ ns. UWB chọn lọc
các ưu điểm của các kỹ thuật xử lý tín hiệu băng rộng trước nó như : MB-OFDM,
DS,… tạo thành các kỹ thuật MB_UWB, TH-UWB, MB-OFDM,…

16
Hình 1. 2: Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà
17
Hình 1. 3: Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời
Hình 1. 4: Phân chia dải tần trong UWB
1.2 Ứng dụng của công nghệ băng thông siêu rộng
Công nghệ băng thông siêu rộng là công nghệ mềm dẻo của thế giới không dây
– nó đủ linh hoạt để làm việc theo nhiều đường khác nhau trong khi vẫn duy trì
được các đặc tính của nó. Do có thể được sử dụng trong môi trường phân tập, cùng
với việc cân bằng giữa tốc độ dữ liệu và phạm vi hoạt động của hệ thống UWB
mang đến nhiều hứa hẹn lớn cho những ứng dụng khác nhau trong quân sự và dân
sự cũng như trong thương mại. FCC đã phân loại các ứng dụng UWB thành 3 loại:
• Truyền thông và cảm biến
18
• Định vị vị trí và theo dõi
• Radar
UWB có các thuộc tính đặc trưng và tạo cho nó lợi thế lớn trong các ứng dụng
trên. Chúng bao gồm các nét sắp được đề cập sau đây.
• Mức năng lượng: Theo tiêu chuẩn của FCC, các hệ thống UWB cần phải có
công suất vào khoảng - 41.3dBm/MHz, tức là 75nW/MHz, gần như là những
bức xạ tương tự như những bức xạ phát ra từ màn hình TV hoặc máy tính.
Giới hạn công suất như vậy cho phép các hệ thống UWB có tín hiệu nằm
dưới tạp âm nền của các máy thu băng hẹp tiêu biểu.
• Mạng nội bộ: với băng thông siêu rộng đặc biệt có thể được sử dụng cho
mạng cục bộ khoảng cách ngắn với tốc độ bit tiến đến vài Gbps.
• Định vị vị trị: một vài hệ thống UWB có khả năng xác định vị trí 3 chiều của
bất kỳ hệ thống tiếp sóng với độ chính xác vài centimet.
• Xử lý hình ảnh radar: hệ thống UWB có thể được sử dụng là radar xử lý hình
ảnh qua tường và không khí hoặc xuyên lòng đất.
• Kiểm tra lỗ hỏng: một vài hệ thống UWB có thể được chế tạo thành một bộ

kiểm tra lỗ hỏng giống như radar song địa tĩnh để dò xuyên tường các vật
bên trong.
Dưới đây là một vài ý tưởng đa được nhắc đến, hầu hết các ý tưởng này đã
xuất hiện trên thị trường.
1.2.1 Truyền thông và cảm biến
Truyền thông là một phần của cuộc sống hằng ngày của chúng ta và có nhiều
cách khác nhau để nâng cao, tạo nên nhiều hiệu quả với UWB. Các ứng dụng trong
truyền thông có thể được phân thành 2 loại: tốc độ bit cao và tốc độ bit thấp. Cả hai
đều yêu cầu khả năng cao và công suất thấp, đó là đặc trưng chính của UWB.
a. Tốc độ bit thấp
Các thiết bị tốc độ bit thấp có mặt quanh chúng ta nhưng chúng thường gắn với
dây điện và dây cáp. Chúng ta sử dụng các dây này để nhập và lấy dữ liệu ra khỏi
máy tính, phát hiện người lạ xâm nhập vào nhà và rất nhiều mục đích khác. Thiết bị
tốc độ thấp có thể thực hiện được với không dây, nhưng các giải pháp hiện tại bị
19
giới hạn bởi nhiễu tầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, công suất phát …UWB
hoàn toàn không bị rằng buộc bởi tầm nhìn thẳng như là tia hồng ngoại, vì độ dài
sóng dài hơn và có thể uốn quanh hoặc truyền qua đồ vật mà không làm cản trở việc
kết nối. Nó cũng ít bị ảnh hưởng bởi bóng tối và nhiễu với các ánh sáng khác hơn là
với hồng ngoại. Từ khi UWB hoạt động với công suất thấp và phát không liên tục
thì nhiễu ảnh hưởng tới nhau là không đáng kể, có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể
hoạt động trong cùng một không gian mà không bị xâm lấn lẫn nhau.
b. Mạng cảm biến
Mạng cảm biến mang đến cơ hội khác cho UWB để thu hút sự chú ý. Cảm biến
mang lại nhiều ứng dụng phong phú trong hiện tại. Các loại cảm biến khác nhau
được sử dụng cho bảo vệ rừng, bảo vệ nhà, ô tô, và các tài sản khác. Việc lắp đặt
các hệ thống an ninh hiện đại tốn nhiều thời gian và tiền bạc. Tại sao? Bởi vì dây
đắt và mất nhiều thời gian để xây dựng. Và thường thì chúng được đặt ở các góc
nhà, đường dây của các cảm biến hầu hết có thể nhìn thấy được. Với giải pháp
không dây, giá thành lắp đặt và bảo dưỡng có thể giảm đáng kể và mức độ bao phủ

có thể được mở rộng và đáng tin cậy. UWB có thể được sử dụng để kết nối thông
tin trong mạng cảm biển. Các bộ thu phát UWB nhỏ và rẻ là sự lựa chọn tuyệt vời
cho các ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến cho cả mục đích quân sự và dân sự.
Những mạng cảm biến như vậy được sử dụng để phát hiện các hiện tượng vật lý
trong những khu vực không thể thâm nhập được và truyền thông tin về đích. Các
ứng dụng dân sự có thể kể đến như giám sát môi trường sống, quan trắc môi trường,
giám sát sức khỏe và nhà tự động.
Cảm biến cũng được sử dụng trong các trung tâm y tế để xác định tốc độ xung,
nhiệt độ và các đánh giá về tín hiệu sự sống. Ngày nay, các bệnh nhân bị chói buộc
bởi dây và cáp. Trong khi UWB có thể được sử dụng để truyền thông tin cảm biến
không dây, nhưng cũng có chức năng như là cảm biến sự hô hấp, nhịp tim và hình
ảnh y học.
c. Tốc độ bit cao
Với băng tần rộng để hoạt động, các ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển và chiếm
hết băng tần với nhiều nhu cầu nảy sinh. Các ứng dụng đầu tiên của UWB sẽ xoay
20
quanh nhu cầu của thị trường hiện tại cho đường truyền dữ liệu tốc độ cao. Các giải
pháp UWB sẽ đáp ứng hoàn toàn các nhu cầu và ứng dụng bởi băng tần rộng sẵn có
của UWB. Đặc biệt, các ứng dụng đa truyền thông phân tập cao, như là ứng dụng
streaming trong các điểm bán hàng trả tiền ngay như sân bay, trung tâm mua sắm
hoặc khu vực đông dân cư, sẽ yêu cầu băng tần mà hiện nay không có khả năng như
là các công nghệ băng hẹp sóng liên tục. Việc tải xuống các bộ phim, clip là một ví
dụ về ứng dụng tôc độ dữ liệu rất cao có thể được thực hiện bởi UWB.
Nhờ vào tốc độ dữ liệu cao của hệ thống UWB trong phạm vi hẹp, các hệ thống
UWB được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong nhà và truyền thông đa phương tiện
dựa trên mạng cá nhân vô tuyến (WPAN). Hệ thống UWB có thể thay thế cho dây
cáp kết nối camera cũng như các ứng dụng điện tử tiêu dùng khác như laptop,
DVDs, máy quay, máy ảnh số, những khả năng mà các công nghệ vô tuyến khác
như Bluetooth hay 802.11a/b không thể truyền tải được.
1.2.2 Định vị vị trí và theo dõi

Định vị và theo dõi trên một quy mô lớn, ví dụ như là GPS, biết được đường
chúng ta đi. Định vị và theo dõi trong phạm vị nhỏ có thể theo dõi được các đối
tượng mà chúng ta cần. Các ứng dụng này có thể nâng cao độ an toàn của tài sản vật
chất, giúp chúng ta tìm được chìa khóa xe ô tô và thậm chí theo dõi được con của
mình khi chúng ở cách xa chúng ta. Khả năng xác định vị trí chính xác của hệ thống
UWB có thể được sử dụng trong các ứng dụng kiểm kê và quản lý tài sản như các
hệ thống nhận dạng ví dụ như RFID.
a. Định vị vị trí
Ngày nay có rất nhiều công nghệ cho phép chúng ta xác định vị trí của chúng ta
trên toàn cầu một cách chính xác trên toàn cầu, điều mà trước đây là không thể.
Chúng ta được đo trên bản đồ và ánh xạ vào GPS. Bây giờ, hình ảnh có thể được
chụp lại thêm một bước xa hơn nữa – chụp vào trong nhà. Mặc dù UWB không phải
là một giải phát hiệu quả cho việc định vị ngoài trời (phạm vi hoạt động rất ngắn),
nhưng nó là giải pháp tuyệt vời cho vấn đề phạm vi ngắn. Một vài hệ thống UWB
có thể được sử dụng để xác định phạm vi giữa các hệ thống vô tuyến UWB trong
nhà. Các bộ định vị UWB có thể được thay thế một cách chiến lược trong mạng chỉ
21
đường không giây dọc theo một vạch để tạo ra một tuyến đường. Chúng có thể
được sử dụng để tìm người trong các tình huống khác nhau, bao gồm những người
lính cứu hỏa trong một tòa nhà bị cháy, nhân viên cảnh sát trong vùng nguy hiểm,
người trượt tuyết bị thương trên đỉnh núi, người đi bộ bị thương trong vùng hẻo
lánh hoặc trẻ lạc trong phố hoặc công viên giải trí.
Hình 1. 5: Ứng dụng của UWB cho các hệ thống kết nối tốc độ cao
Cũng nhờ vào khả năng định vị địa lý chính xác do hoạt động tốt trong môi
trường các kênh đa đường, các thiết bị UWB có thể được sử dụng trong môi trường
hẻo lánh và trong nhà khi mà các máy thu GPS không thể làm việc.
b. Theo dõi
Với các máy móc theo dõi tiên tiến, chúng ta không thể biết vị trí của vật thể
nhưng thực sự bám theo sự di chuyển của chúng qua bất kì trường hợp nào. Ví dụ,
các thiết bị lưu trữ trong kho có thể được theo dõi từ nơi vận chuyển đến đích cuối

cùng. Bất cứ sự di chuyển động trong nhà nào đều có thể được theo dõi dễ dàng.
Việc theo dõi tốt làm cải thiện rõ rệt khả năng của chúng ta trong việc cất giữ hàng
hóa, giao hàng tận nơi và các dịch vụ khác.
22
Các đồ vật và đối tượng di động theo con người ngày càng ra tăng, các thông
tin cập nhật và chính xác về vị trí của chúng trở nên vô cùng cần thiết trên thị
trường. Trong khi các công nghệ GPS và E911 hứa hẹn sẽ mang đến mức chính xác
ngoài trời, hiện tại công nghệ theo dõi trong nhà vẫn tương đối ít và có độ chính xác
trong khoảng 3 đến 10 m. Hoạt động của UWB bổ trợ cho các hệ thống GPS và
E911, nó cho phép xác định chính xác vị trí và theo dõi sự hoạt động của vật thể ở
không gian trong nhà với độ chính xác vài centimet. Nó có thể mang đến thông tin
cá nhân và nội dung về vị trí chi tiết về sự thay đổi và theo dõi các tài sản có giá trị
với mục đích an ninh và hiệu quả sử dụng. Các hệ thống UWB có thể làm việc
trong môi trường phức tạp, nơi có nhiều người, đồ vật và tương tác lẫn nhau. Đặc
tính truyền thông hiệu quả và nhanh giữa mợi người có thể giúp ích cho một số nơi
như bệnh viện, trung tâm đào tạo, nơi cần được bảo vệ… Mức độ an toàn chưa từng
có có thể được thực hiện bởi việc kiểm tra vị trí của người và các tài sản quan trọng.
c. Radar
Nhờ phổ tần rất rộng, các tín hiệu UWB có thể dễ dàng xuyên qua các vật cản
khác nhau. Với tính năng của radar mới được tạo ra bởi cộng thêm UWB, thị trường
radar sẽ phát triển đột ngột và radar sẽ được sử dụng trong những vùng mà hiện tại
không thể tưởng tượng nổi. Một vài ứng dụng chính của radar UWB là có thể có tác
động mạnh của các cảm biến tự động, cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh,
sáng kiến thông minh trên đường cao tốc, cảm biến an ninh cá nhân, đo đạc chính
xác và các ứng dụng an toàn xuyên tường.
Ngày nay, khả năng dò chuyển động xuyên tường là có thực. Các thiết bị gửi
hàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu mà trong bất cứ trường hợp
nào đều có thể đâm xuyên qua hầu hết các vật thể trong tòa nhà, bao gồm tường bê
tông, khối bê tông, thạch cao, gạch, gỗ, nhựa, đá lát và sợi thủy tinh. Kết quả là
mang lại rất nhiều chức năng dò tìm với nhiều sự hữu ích mới. Thiết bị radar này

nhắm tới mục tiêu quân sự và hỗ trợ các đội làm nhiệm vụ bí mật. Đặc tính này giúp
cho các radar xuyên lòng đất dựa trên UWB là thiết bị rất hữu ích cho các đội cứu
nạn để phát hiện những người sống sót bị chôn vùi trong các đống đổ nát khi thảm
họa xảy ra. Trong lĩnh vực thương mại, các hệ thống radar như vậy có thể được sử
23
dụng trong xây dựng để định vị uống dẫn, đinh vít và cả dây điện. Công nghệ tương
tự dưới những quy tắc khác có thể được sử dụng cho các mục đích xử lý hình ảnh
trong y tế như hệ thống giám sát tim từ xa. Thêm nữa, radar UWB có thể được sử
dụng trong công nghiệp tự động hóa cho hệ thống tránh va. Hơn thế nữa, với công
suất truyền dẫn thấp của các xung UWB nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho
truyền thông trong quân sự (cần phải che dấu). Các xung UWB rất khó bị phát hiện
cũng như bị biên dịch vì thế đối phương sẽ không thể truy cập vào các thông tin
quân sự tối quan trọng. Mặt khác, các thiết bị UWB có mạch bộ thu phát đơn giản
hơn bộ thu phát băng hẹp, chúng có thể được chế tạo với kích thước nhỏ và giá rẻ
hơn của các hệ thống băng hẹp.
1.3 Các yêu cầu của anten cho công nghệ băng thông siêu rộng
Như ở phần trên đã nói , công nghệ băng thông siêu rộng được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực. Ở mỗi ứng dụng khác nhau có các đặc điểm kỹ thuật riêng, kéo theo
đó là các yêu cầu riêng biệt đối với anten cho các thiết bị trong các ứng dụng đó.
Trong đồ án này, anten được thiết kế để phục vụ cho nhu cầu truyền tín hiệu tốc độ
cao trong tầm nhìn thẳng vì vậy anten có những yêu cầu nhất định
Bảng 2: Yêu cầu của anten cho thiết bị băng thông siêu rộng
Độ rộng băng tần 3.1GHz – 10.6GHz
Hiệu suất bức xạ Cao
Đồ thị bức xạ Định hướng
Hệ số định hướng cao
Hình dạng Nhỏ, gọn, đồng phẳng
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
24

2.1. Lý thuyết cơ bản về trường điện từ
2.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên
Trong không gian tự do hệ phương trình Maxwell và các phương trình liên quan
được biểu diễn như sau:
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Trong các phương trình này:
• E là véc-tơ điện trường
• H là véc-tơ từ trường
• B là véc-tơ mật độ thông lượng từ
• D là mật độ thông lượng điện
• J là mật độ dòng điện dẫn
• là mật độ điện tích
• là hệ số điện môi trong không gian tự do
• là hệ số từ thẩm trong không gian tự do
Đối với các vật liệu dẫn điện, định luật bảo toàn điện tích được biểu diễn bởi
quan hệ:
(2.7)
Mật độ dòng và cường độ điện trường liên hệ với nhau bởi định luật Ohm:
(2.8)
là hệ số phụ thuộc tính dẫn điện của môi trường
Nếu vật dẫn chuyển động với vận tốc trong từ trường thì điện trường tổng
cộng phải bao gồm thêm thành phần được sinh ra do hiệu ứng chuyển động:
25