Nghiên cứu thiết kế mẫu anten có độ lợi cao dùng trong truyền thông điểm - điểm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



TĂNG THẾ TOAN




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO
DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM – ĐIỂM



LUẬN VĂN THẠC SĨ








Hà Nội - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



TĂNG THẾ TOAN



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO
DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM – ĐIỂM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang





Hà Nội - 2011
5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 4
MỤC LỤC 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7
DANH MỤC HÌNH VẼ 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU 10
MỞ ĐẦU 11
CHƢƠNG 1 12
KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO 12
1.1. Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm 12
1.1.1. Khái niệm chung 12
1.1.2. Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao 13
1.1.3. Anten Yagi (Yagi antenna) 14
1.3.4. Anten Loa (Horn Antenna) 16
1.1.5. Anten thấu kính (Lens Antenna) 17
1.1.6. Anten parabol (Parabol Antenna) 18
1.1.7. Anten mảng (Aray Antenna) 19
1.1.8. Tổng quan các hệ anten độ lợi cao 19
1.2. Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (Electromagnetic
Band Gap) 21
1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG 21
1.2.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của anten EBG 21
1.3. Kết luận chương 1 22
Chƣơng 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU
TRÚC ĐẶC BIỆT EBG 23
2.1. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG 23
2.1.1. Giới thiệu về vật liệu EBG 23
2.1.2. Định lí Bloch và đồ thị tán sắc 24
2.1.3. Các phƣơng pháp mô hình hóa cấu trúc EBG 26
2.1.4. Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten 27
2.2. Cấu tạo của anten EBG 30

2.3. Nguyên lý hoạt động của anten EBG 31
2.3.1. Mô hình anten EBG 31
2.3.2. Nguyên lý hoạt động của Anten EBG 35
2.4. Kết luận chương 2 41
Chƣơng 3 42
6

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN EBG DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG
ĐIỂM-ĐIỂM 42
3.1. Yêu cầu thiết kế 44
3.1.1. Thông số đầu vào 44
3.1.2 Lựa chọn mô hình thiết kế 44
3.2. Quy trình thiết kế 45
3.2.1 Thiết kế bề mặt bán phản xạ: 45
3.2.2 Các thông số thiết kế về kích thƣớc của hộp cộng hƣởng 46
3.3. Mô phỏng dựa trên phần mềm 4NEC2 47
3.3.1 Giới thiệu phần mềm 4NEC2 47
3.3.2 Thiết kế anten trên 4NEC2 49
3.3.3 Đặc tính phối hợp trở kháng 52
3.3.4 Các đặc tính kỹ thuật khác của Anten 53
3.4. Kết luận chương 3 55
KẾT LUẬN CHUNG 57
1. Đóng góp của đề tài 57
2. Hướng phát triển của đề tài trong tương lai 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
7

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AMP
Antenna Modeling Program
CE
end of comments
CM
Comment
CST
Computer Simulation Technology
dB
Decibel
Dir
Directivity
EBG
Electromagnetic Band Gap
EK
Extended thin wire kernel
EN
End of Run
EX
Exitation
FDTD
Finite Difference Time Domain
FR
Frequency sweep
Freq
Frequency
FWE
Plane Wave Expansion
GE
End of geometry

GM
Geometry Move
GN
Ground card
GW
Geometry of wire
HFSS
Hight Frequency Structure Simulator
Hz
Hertz
L
Length
LD
Loading of a segment
mm
Millimeter
NEC
Numerical Electromagnetics Code
PBG
Photonic Band Gap
PEC
Perfect Electric Conductor
PRS
Partially Reflection Surface
PRS
Partially Refelection Surface
SY
Symbol
TMM
Transmission Matrix Method

W
Width

8


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Đồ thị bức xạ của một anten độ lợi cao 12
Hình 1-2: Một số anten độ lợi cao 13
(a) Anten Loa ; (b) Anten mảng; (c) Anten parabol 13
Hình 1-3: Đồ thị bức xạ của một anten 14
Hình 1-4: Cấu trúc anten Yagi 15
Hình 1-5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ lợi và số chấn tử 15
Hình 1-6: Một số loại anten loa phổ biến 16
Hình 1-7: Anten gương parabol 18
Hình 1-8: Anten Von-Trentini 1956 21
Hình 2-1: Minh họa cấu trúc vật liệu EBG 23
Hình 2-2: Cấu trúc tuần hoàn (EBG) 24
Hình 2-3: Cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouin 26
Hình 2-4: Hệ số phản xạ của mẫu vật liệu EBG 28
Hình 2-5: Giảm sóng bề mặt với bề mặt trở kháng cao EBG 29
Hình 2-6: Ứng dụng dải cấm để điều khiển búp sóng 29
Hình 2-7: Mô hình tổng quát anten EBG 30
Hình 2-8: Anten nguồn cho anten EBG: patch antenna 30
Hình 2-9: Anten nguồn cho anten EBG: slot antenna 31
Hình 2-10: Mô hình anten EBG 31
Hình 2-11: Cấu trúc bản mặt bán phản xạ tạo bởi các thanh kim loại đường kính
a, cách đều nhau một khoảng P
t

32
Hình 2-12: Sự phụ thuộc hệ số phản xạ s
11
(a) |r
1
|, (b) 
r1
vào cấu trúc 33
EBG và tần số 33
Hình 2-13: Sự phụ thuộc hệ số phản xạ s22 (a) |r2|, (b) r2 vào cấu trúc 34
EBG và tần số 34
Hình 2-14 : Nguyên lí truyền sóng qua hộp cộng hưởng Fabry-Perot 35
Hình 2-15: Xác định tần số cộng hưởng f
0
(theo biểu thức 2.15) 37
Hình 2-16: Đồ thị bức xạ của Anten EBG 38
Hình 2-17 Dạng của đồ thị định hướng của một anten EBG theo tần số 38
Hình 2-18 : Góc mở -3dB theo hàm của hệ số phản xạ của bề mặt EBG 39
Hình 2-19: Độ định hướng của anten EBG 3 chiều 40
Hình 3-1: Qui trình thiết kế anten EBG 43
Hình 3-2: Đồ thị bức xạ-hệ số phản xạ của anten EBG 45
Hình 3-3: Module và phase của mặt bán phản xạ EBG cấu trúc dạng trụ, đường
kính a đặt cách đều nhau P
t
45
Hình 3-4: Cấu trúc anten EBG 46
Hình 3-5: Giao diện phần mềm NEC 47
Hình 3-6: Một vài kiểu anten dây và chia nhỏ thành các segment 48
Hình 3-7: Đặc tính phối hợp trở kháng với D
1

=12mm 52
Hình 3-8: Đặc tính phối hợp trở kháng với D
1
=11mm 53
9

Hình 3-9: Đặc tính phối hợp trở kháng với D
1
=10mm 53
Hình 3-10: Dạng bức xạ của anten EBG 54
Hình 3-11: Dạng bức xạ của dipole 55
Hình 3-12: Đồ thị đặc tính phối hợp trở kháng của dipole với D
1
=12mm 56

10


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các hệ anten độ lợi cao 20
Bảng 3-1: Thông số lựa chọn thiết kế 44
Bảng 3.2: Bảng thông số thiết kế mô phỏng anten EBG 49
Bảng 3-3: Thiết lập Dipole 50
Bảng 3-4: Thiết lập cấu trúc EBG 50
Bảng 3-5: Thiết lập nguồn cho Dipole 51
Bảng 3-6: Thiết lập tần số 51
Bảng 3.7: Độ định hướng của anten 54
Bảng 3.8: Băng thông của anten 55
11

MỞ ĐẦU

Kể từ khi tín hiệu radio đầu tiên được phát sóng vào thế kỷ 18, con người
vẫn luôn luôn theo đuổi một mục đích là truyền tín hiệu đó đi với quãng đường
dài nhất nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc trong thực tiễn. Bởi vậy, một
trong những vấn đề phải giải quyết là thiết kế cho được anten cao tần có độ lợi
cao, đó là phần tử không thể thiếu được trong các hệ thống truyền thông viễn
thông như liên lạc vũ trụ hay truyền thông vệ tinh, trong các ứng dụng dân dụng
và quân sự như truyền hình, radar dẫn đường, hệ định vị, thông tin di dộng…
Sự ra đời của các loại anten có độ lợi cao đã mở ra một trang mới cho sự
phát triển của các hệ truyền thông dân dụng cũng như quân sự. Đặc biệt, trong
những năm gần đây cộng đồng nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu và phát
triển một loại anten có độ lợi cao với cấu trúc phẳng, chiếm ít thể tích, đơn giản
trong thiết kế, có thể ứng dụng trong các hệ truyền thông điểm-điểm, hay các
ứng dụng cho anten trạm phát sóng BTS 3G, 4G, ứng dụng trong thông tin vệ
tinh, đó là anten EBG (Electromagnetic Band Gap-Dải chắn điện từ).
Hiện tại, anten EGB vẫn là một loại anten mới đang được nghiên cứu,
phát triển và hướng đến những ứng dụng trong thực tiễn. Đề tài trình bày cơ sở
lí thuyết tổng hợp về anten thế hệ trước, nguyên lí hoạt động của hộp cộng
hưởng Fabry Perot và xây dựng qui trình thiết kế một loại anten dựa trên cấu
trúc của loại vật liệu mới EBG để đạt được độ lợi cao (với các thông số khác có
thể chấp nhận được đối với một anten cao tần).
Nội dung của đề tài gồm 3 chương:
Chương 1 trình bày khái quát về các hệ thống anten định hướng cao đang
được sử dụng trong truyền thông điểm – điểm và giới thiệu khái quát anten thế
hệ mới có độ lợi cao: anten EBG.
Chương 2 tập trung đi sâu phân tích cấu trúc dải chắn điện từ EBG trên cơ
sở các cấu trúc vật liệu tuần hoàn, những đặc tính đặc biệt của cấu trúc có thể
ứng dụng để nâng cao hiệu quả của anten nguồn đặc biệt là độ lợi.

Chương 3 trình bày mẫu thiết kế đề xuất một loại anten EBG đơn giản với
việc sử dụng phần mềm mô phỏng khá hiệu quả là HFSS và 4NEC2.
Do còn hạn chế về thời gian, vốn hiểu biết và điều kiện kỹ thuật hiện có,
luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng
góp của các thầy cô và các bạn để nghiên cứu được hoàn chỉnh hơn.
12

CHƢƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO

1.1. Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm
1.1.1. Khái niệm chung
Anten là một phần tử không thể thiếu được trong mọi hệ thống thông tin
liên lạc vô tuyến. Hiểu một cách cơ bản nhất, nó là một thiệt bị dùng để chuyển
đổi năng lượng điện áp cao tần đầu vào thành năng lượng sóng điện từ (
HE,
)
truyền được trong không gian tự do.
Tùy thuộc vào ứng dụng trong thực tế, người ta phân anten ra làm nhiều
loại dựa trên độ lợi (một số tài liệu gọi là độ tăng ích) của nó: anten vô hướng,
anten có độ lợi thấp và anten độ lợi cao.
Anten có độ lợi cao là loại anten có khả năng phát sóng tập trung vào một
hướng nhất định và duy nhất. Hình 1-1 dưới đây mô tả đồ thị bức xạ (radiation
pattern) dạng bút chì của một anten độ lợi cao điển hình.

Hình 1-1: Đồ thị bức xạ của một anten độ lợi cao
Người ta phân biệt anten có độ lợi cao thành nhiều loại tùy thuộc vào hình
dạng hay nguyên tắc hoạt động của chúng. Anten đầu tiên được kể đến là anten
Parabol phân cực tròn được phát minh bởi Heinrich R. Hertz năm 1888, sau đó
có thể kể đến anten Loa (Horn Antenna) năm 1894, anten Yagi năm 1928, anten

Thấu kính (Lens Antenna), anten Mảng (Array Antenna)…[4]
13




(a)
(b)
(c)
Hình 1-2: Một số anten độ lợi cao
(a) Anten Loa ; (b) Anten mảng; (c) Anten parabol
1.1.2. Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao
- Độ lợi của anten (Gain of antenna)
Độ lợi của anten theo một hướng xác định là tỉ số của cường độ bức xạ trên
cường độ bức xạ đo được của anten bức xạ vô hướng có cùng công suất.
Đối với anten không có độ mất mát (hiệu suất 100%) thì độ lợi của anten
chính là độ định hướng.
Độ lợi của anten là một thông số quan trọng để tính toán cự li thông tin.
- Sự phân cực của anten (Polarization of antenna)
Sóng điện từ được phát ra bởi anten có thể tạo ra những dạng khác nhau
ảnh hưởng đến sự quảng bá. Các hình dạng này sẽ tùy thuộc vào sự phân cực
của anten. Trong một hệ thống thu phát, anten phát và anten thu phải có cùng
phân cực để mức thu đạt tốt nhất và tránh nhiễu. Phân cực tròn được dùng trong
trường hợp anten phát và anten phản xạ không có định hướng phân cực rõ ràng
hoặc phân cực bị biến đổi trong quá trình truyền sóng.
- Đồ thị bức xạ của anten (Radiation pattern)
Đồ thị bức xạ của anten mô tả sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng
cách cố định từ anten. Nó thường được diễn tả bằng thuật ngữ “hướng”
(directivity) hay “độ lợi” (gain) của anten. Anten thường có búp chính hay vùng
bức xạ, chính là hướng có độ lợi lớn nhất, và búp phụ mà cụ thể hơn là búp bên

hay búp sau tùy thuộc vào hướng của búp phụ so với búp chính.
Trong khái niệm đồ thị bức xạ của anten thì tỉ số “trước-sau” của anten sẽ
so sánh độ lợi lớn nhất của anten trên búp chính với độ lợi lớn nhất trên búp sau.
14


Hình 1-3: Đồ thị bức xạ của một anten
- Băng tần hoạt động của anten (Bandwidth of antenna)
Băng tần hoạt động của anten là vùng tần số cho phép anten hoạt động
đảm bảo dạng bức xạ và trở kháng đầu vào không bị thay đổi.
Hiện nay, anten có độ lợi cao là phần tử không thể thiếu được trong các hệ
thống truyền thông viễn thông như liên lạc vũ trụ hay truyền thông vệ tinh.
Ngoài ra, nó còn được sử dụng nhiều trong các ứng dụng dân dụng và quân sự
như anten truyền hình, radar dẫn đường, hệ định vị, thông tin di dộng…
1.1.3. Anten Yagi (Yagi antenna)
Anten Yagi hay còn gọi là anten Yagi-Uda (do 2 người Nhật là Hidetsugu
Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là một anten định
hướng cao được sử dụng trong truyền thông vô tuyến. Loại anten này thường
được sử dụng cho mô hình điểm-điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểm-
đa điểm. Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến
tính các phần tử là các anten dipole song song nhau. Mỗi phần tử có phân bố dòng
riêng, đồ thị phương hướng của anten là tổ hợp của mỗi phần tử trong hệ (có thể
tăng cường hoặc giảm bớt tùy theo phân bố dòng của mỗi phần tử). [1]
HPBW


Búp phụ
Búp chính
Búp sau
Búp bên

Không
HPBW
15


Hình 1-4: Cấu trúc anten Yagi
Cấu trúc của một anten Yagi được minh họa tại hình 1-4, gồm các phần tử
sau:
- Một hay nhiều chấn tử phản xạ R nằm ở một phía của chấn tử tích cực.
Chấn tử này sẽ hướng bức xạ ngược trở lại về phía chấn tử tích cực.
- Một hoặc nhiều chấn tử dẫn xạ D
i
(i=1, 2, 3…) nằm ở phía ngược lại có
tác dụng tập trung bức xạ về hướng đó.
Khi tăng số chấn tử dẫn xạ, ta thu được độ tăng ích lớn hơn nhưng lợi điểm
này giảm dần khi số lượng chấn tử dẫn xạ tăng lên như hình 1-5. Điều này là do
khi các chấn tử dẫn xạ kí sinh càng xa chấn tử tích cực thì dòng cảm ứng của
chúng càng giảm và đóng góp của nó vào độ tăng ích cũng giảm.


Hình 1-5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ lợi và số chấn tử
Giá đỡ
Chấn tử dẫn xạ
Chấn tử điều khiển (tích cực)
Chấn tử phản xạ
R
DR
D
1

D
2

D
3

D
4

16

Trở kháng vào của anten Yagi là một hàm theo trở kháng vào của chấn tử
tích cực nhưng cũng chịu ảnh hưởng lớn bởi các chấn tử ký sinh. Giá trị trở kháng
vào theo lý thuyết của một anten 3 chấn tử là khoảng 25Ω. Tùy theo cấu hình
anten, giá trị này biến thiên trong khoảng 20Ω đến 100Ω. [1]
Anten Yagi được dùng nhiều trong truyền hình, truyền thông điểm-điểm ở tần
số dưới 1GHz.
1.3.4. Anten Loa (Horn Antenna)
Anten loa thuộc loại anten bức xạ mặt. Mặt bức xạ của anten là miệng loa.
Phần từ cơ bản của anten là nguyên tố Huyghen, nghĩa là nguyên tố diện tích được
kích thích bởi điện từ trường đồng pha. Trường hợp đơn giản nhất của bức xạ mặt
là bức xạ mặt từ miệng của một ống dẫn sóng chữ nhật hoặc tròn.
Anten kiểu miệng ống dẫn sóng (gọi tắt là anten ống sóng) tạo ra sự
chuyển đổi sóng điện từ giữa ống dẫn sóng và không gian tự do. Khi mở rộng
kích thước miệng ống của anten ống sóng theo các phương án khác nhau tuỳ
theo độ lợi, đồ thị bức xạ và trở kháng mong muốn ta sẽ nhận được các kiểu
anten loa khác nhau. [2]


Hình 1-6: Một số loại anten loa phổ biến

(a) anten loa dẹt trong mặt phẳng H, (b) anten loa dẹt trong mặt phẳng E,
(c) anten loa hình chóp
Do độ lợi của anten loa hình chóp có thể tính chính xác từ kích thước vật
lí nên nó thường được dùng làm anten chuẩn để đo độ lợi. Các anten loa hình
quạt là trường hợp đặc biệt của anten loa hình chóp. Ngoài các loại anten loa
như trong hình, cũng có một số loại anten loa khác như anten loa hình nón, được
sử dụng cho các ống dẫn sóng tròn. [2]
Anten Loa được dùng nhiều trong các bộ phát đáp trong thông tin vệ tinh.
17

1.1.5. Anten thấu kính (Lens Antenna)
Anten thấu kính thuộc loại anten mặt. Mặt bức xạ của nó được kích thích
bởi trường do một nguồn sóng sơ cấp đưa tới. Nếu thấu kính được cấu tạo để
mặt bức xạ của thấu kính được kích thích đồng pha thì sóng bức xạ từ bề mặt là
sóng phẳng. Trong trường hợp anten thu thì quá trình biến đổi mặt sóng được
diễn ra ngược lại, nghĩa là thấu kính sẽ biến đổi sóng phẳng thành sóng cầu hội
tụ tại tiêu điểm. Thấu kính như vậy gọi là thấu kính hội tụ, được dùng để thiết
lập những anten có độ thị phương hướng hẹp.
Ngoài các thấu kính hội tụ còn có các thấu kính có hình dạng phức tạp
hơn, cho phép biến đổi sóng sơ cấp để tạo ra ở mặt bức xạ một qui luật phân bố
trường cho trước, ứng với việc thiết lập đồ thị phương hướng đặc biệt. Ta gọi
loại thấu kính này là thấu kính đặc biệt.
Trong thực tế loại thấu kính hội tụ được sử dụng rộng rãi nhất, mỗi anten
thấu kính gồm hai phần chính là thấu kính và bộ chiếu xạ. Tùy theo thấu kính là
loại đối xứng trục hay hình trụ mà bộ chiếu xạ có hình dạng thích hợp để tạo
thành sóng sơ cấp đưa tới thấu kính. Việc tạo thành chùm tia song song ở mặt ra
của thấu kính có thể so sự khúc xạ sóng tại một mặt thấu kính hai tại cả hai mặt
(tùy theo từng kết cấu cụ thể). Trong trường hợp đầu thấu kính được gọi là thấu
kính một mặt, trường hợp sau gọi là thấu kính hai mặt.
Theo quan điểm quang hình, điều kiện hội tụ có thể được thỏa mãn bằng

hai cách:
- Tăng độ dài quang học của tia đi qua tâm so với các tia ở ngoài. Trong
trường hợp này ta gọi thấu kính là thấu kính chậm;
- Giảm độ dài quang học của các tia ở ngoài so với các tia đi qua tâm thấu
kính. Trong trường hợp này ta gọi thấu kính là thấu kính nhanh.
Ngoài các thấu kính nhanh và chậm còn có các thấu kính đoản trình, trong
đó việc hình thành sóng phẳng được thực hiện bằng cách tăng độ dài hình học
của tia khi không biến đổi vận tốc pha. Nếu chiết suất của môi trường thấu kính
không biến đổi thì ta gọi thấu kính là thấu kính đồng nhất, ngược lại thì ta có
thấu kính bất đồng nhất. [2]
Anten thấu kính dùng nhiều trong các ứng dụng sử dụng tần số siêu cao
như radar chống va chạm cho ô tô, trực thăng (77GHz).

18

1.1.6. Anten parabol (Parabol Antenna)
Anten parabol là một dạng của anten gương với bề mặt gương là hình
parabol có hệ số sử dụng bề mặt cao. Nguyên lí làm việc chung của gương
tương tự nguyên lí của gương quang học. Để thuận tiện cho việc trình bày, ta
khái quát hoạt động của anten trong chế độ phát. Sóng sơ cấp với dạng của mặt
sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ gương sẽ trở thành sóng
thứ cấp với dạng của mặt sóng và hướng lan truyền biến đổi theo yêu cầu cho
trước. Việc biến đổi dạng mặt sóng được thực hiện nhờ hình dạng và kết cấu đặc
biệt của mặt gương.
Trong phần lớn các trường hợp, mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu
hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) với hướng tính kém thành
sóng phẳng hoặc gần phẳng, với năng lượng tập trung trong một góc không gian
hẹp. Trong một trường hợp khác, anten gương có nhiệm vụ vừa biến đổi dạng
giản đồ hướng của bức xạ sơ cấp, vừa biến đổi hướng truyền lan (anten loa-
parabol).

Anten gương parabol được minh họa như hình 1-7 có khẩu độ L, độ sâu h,
parabol có tiêu cự f. Nếu h>f, nghĩa là góc mở của anten gương

0
<

/2 thì
gương được gọi là gương sâu, và ngược lại gọi là gương nông. [2]

Hình 1-7: Anten gương parabol
Anten gương parabol có hai loại là gương parabol tròn xoay với kích thích
sử dụng bộ chiếu xạ là nguồn tập trung (như chấn tử tiếp điện bởi cáp đồng trục
có kèm theo chấn tử phản xạ hoặc đĩa kim loại phản xạ hoặc chấn tử tiếp điện bởi
ống dẫn sóng có kèm theo chấn tử phản xạ, hoặc cặp anten khe đồng pha trên hộc
cộng hưởng được kích thích bởi trường của ống dẫn sóng, hoặc anten loa…), đặt
L
F
f
.
c
h

0

x
z
19

tại tiêu điểm của gương và loại gương parabol trụ với kích thích sử dụng bộ chiếu
xạ là nguồn bức xạ thẳng được đặt dọc theo trục tiêu của gương (như dãy chấn tử

nửa sóng, anten khe ống dẫn sóng hoặc thấu kính kim loại gấp khúc…).
Anten loa-parabol gồm một loa hình tháp, ở miệng của nó được gắn với
một phần của gương parabol tròn xoay. Tiêu điểm của gương được bố trí trùng
với tâm của loa. Chùm tia hội tụ được bức xạ qua miệng. Ưu điểm của loại anten
này là chùm tia chiếu xạ không bị phân tán, do đó anten đạt được hiệu suất cao,
mức bức xạ phụ nhỏ, dải tần công tác rộng. [2]
Anten parabol được dùng nhiều trong thông tin vệ tinh, truyền thông di
động mặt đất.
1.1.7. Anten mảng (Aray Antenna)
Mỗi anten đơn với những ưu, nhược điểm nhất định nên nhìn chung không
thể hội tụ được đủ tất cả các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống truyền thông. Một tập
hợp các anten rời rạc tạo thành một mảng anten hay hệ anten, gọi là anten mảng.
Dàn anten mảng có thể được tiếp điện đồng pha nhằm tăng tính định hướng cho
anten, hoặc tiếp điện với góc pha biến đổi để có thể quét búp sóng trong không
gian, tạo ra hệ anten có xử lí tín hiệu, anten thông minh…
Các phần tử anten mảng có thể được hình thành bằng cách xếp chồng hai
hay nhiều phần tử, mỗi phần tử có tần số hoạt động riêng và được tiếp điện nối
tiếp để tạo thành một hệ anten hai hay nhiều tần số. Các phần tử anten mảng có
phân cực quay hai tần số cũng được thiết kế nhờ việc nuôi nối tiếp các phần tử
phân cực quay xếp chồng dọc theo đường chéo của mỗi phần tử.[2]
Anten mảng được sử dụng nhiều trong radar quân sự, truyền thông điểm -
điểm.
1.1.8. Tổng quan các hệ anten độ lợi cao
Bảng 1.1 dưới đây mô tả tóm tắt so sánh các ưu và nhược điểm của từng
loại anten độ lợi cao đã trình bày ở trên:
20

Bảng 1.1: So sánh các hệ anten độ lợi cao
Anten
Ƣu điểm

Nhƣợc điểm
Anten loa



 Cấu tạo đơn giản
 Bức xạ sau (back
radiation) thấp
 Băng thông rộng
 Độ lợi trung bình
 Cồng kềnh, trọng lượng
lớn
 Búp sóng phụ cao
 Cản gió cao
Antenne thấu kính



 Độ lợi cao
 Dễ phối hợp trở kháng
 Phân cực tròn
 Dễ chế tạo
 Cồng kềnh
 Nặng
 Suy hao do điện môi
lớn
Anten parabol

 Độ lợi cao
 Búp sóng phụ thấp
 Phân cực tròn
 Giá rẻ
 Cồng kềnh
 Vùng tối

Antenne mảng



 Điều chỉnh được
hướng búp sóng
 Gọn, nhẹ
 Độ lợi trung bình
 Khó thiết kế để giảm
thiểu búp sóng phụ và
phối hợp trở kháng
21

1.2. Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG
(Electromagnetic Band Gap)
1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG
Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (gọi tắt là anten EBG) là một dạng anten
phẳng sử dụng vật liệu EBG. Lịch sử của có thể được tính từ khi Von-Trentini phát
minh ra loại anten dạng hộp cộng hưởng Fabry Perot [5], anten này được tạo thành
bằng việc đặt lên bề mặt của một anten loa một tấm lưới kim loại hình 1-8.


Hình 1-8: Anten Von-Trentini 1956

Vật liệu EBG có thể hoàn toàn là vật liệu điện môi (dielectric, [6-8]) hoặc
kim loại (metal, [9]) và tuần hoàn theo 1, 2 hoặc 3 chiều [10]. Chi tiết về định
nghĩa vật liệu EBG sẽ được giới thiệu ở phần sau. Về bản chất, cấu trúc hộp cộng
hưởng đơn giản nhất có thể được coi là một cấu trúc EBG đơn giản.
Anten EBG được tạo nên từ anten cơ sở (hay anten nguồn) và được cải
thiện đặc tính bởi cấu trúc vật liệu đặc biệt EBG do vậy mà tùy theo cấu trúc vật
liệu EBG và dạng anten kích thích, tạo nên các anten EBG khác nhau. Do cấu
trúc EBG thường có dạng phẳng nên các dạng anten nguồn kích thích thường là
anten phẳng (patch antenna), anten khe (slot antenna), [10,11].
1.2.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của anten EBG
* Ƣu điểm: Do có cấu trúc phẳng nên anten EBG có ưu điểm dễ nhận thấy là
gọn nhẹ, dễ chế tạo, thuận tiện cho việc bố trí, lắp đặt, dễ ngụy trang do vậy
mà giảm được kích thước và giá thành. Ưu điểm nổi bật của loại anten này là có
độ lợi lớn (có thể đạt tới 30dB) và phân cực đa dạng.
22

* Nhƣợc điểm: Do hoạt động của anten dựa trên nguyên lý hộp cộng hưởng nên
nhược điểm của nó là băng thông thấp. Ngoài ra một nhược điểm nữa là khó khăn
trong việc phối hợp trở kháng do không biết được đặc tính điện trở vào của anten.
1.3. Kết luận chƣơng 1
Anten có cấu trúc đặc biệt EBG là một loại anten mới trên thế giới và hiện
vẫn đang được nghiên cứu. Nó có khá nhiều ưu điểm so với các loại anten độ lợi
cao khác như: cấu trúc phẳng, giá thành thấp, gọn nhẹ, dễ ngụy trang, dễ lắp đặt,
có thể điều chỉnh được búp sóng, Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm cần khắc
phục như khó phối hợp trở kháng, băng thông thấp.
Với mỗi loại anten thì đều có những ưu điểm và tồn tại những nhược điểm,
song các loại anten có cấu trúc đặc biệt với những cấu trúc EBG đa dạng sẽ tạo ra
những anten có những đặc tính ưu việt đặc biệt là độ lợi và cấu trúc phẳng. Đó
cũng chính là lí do căn bản để bản luận văn hướng tới.
23

Chƣơng 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU TRÚC
ĐẶC BIỆT EBG

2.1. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG
2.1.1. Giới thiệu về vật liệu EBG
Tên gọi vật liệu EBG (Electromagnetic Band Gap) được lấy cảm hứng từ
tên gọi của vật liệu tương tự trong quang học là vật liệu dải băng cấm (PBG-
Photonic Band Gap).
Một cách tổng quát nhất, người ta định nghĩa vật liệu EBG là loại vật liệu
dạng cấu trúc lặp theo một, hai hoặc ba chiều. Hoặc có thể định nghĩa cách khác
về vật liệu EBG là những cấu trúc tuần hoàn nhân tạo có khả năng ngăn chặn
hoặc hỗ trợ sự lan truyền sóng điện từ trong một dải tần số xác định trước ứng
với mọi góc tới, mọi trạng thái phân cực của sóng.
Cấu trúc EBG thường được tạo ra bằng cách xếp đặt một cách tuần hoàn
các cấu trúc điện môi và vật dẫn kim loại [12]. Có thể chia EBG thành 3 loại,
tùy theo cấu trúc hình học: dạng khối 3 chiều, cấu trúc mặt 2 chiều, cấu trúc
đường truyền một chiều như hình 2-1.



(a)
(b)
(c)
Hình 2-1: Minh họa cấu trúc vật liệu EBG
a) 1 chiều, (b) 2 chiều, (c) 3 chiều
Do những ưu điểm về kích thước, chi phí chế tạo mà dạng EBG mặt 2
chiều được quan tâm nhiều nhất. Đặc tính quan trọng của EBG là sự tồn tại của
một dải tần số có khả năng ngăn chặn sóng điện từ, dải chắn tần số này phụ

thuộc vào hằng số điện môi, kích thước hình học của cấu trúc.
24

2.1.2. Định lí Bloch và đồ thị tán sắc
Lí thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng đặc tính điện từ trường truyền
trong vật liệu có cấu trúc đối xứng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng (đối với
EBG đó chính là đặc điểm tuần hoàn của cấu trúc hình học). Lí thuyết Bloch mô
tả các mode sóng lan truyền trong cấu trúc EBG. Trên cơ sở đó có thể rút ra đồ
thị tán sắc minh họa đặc tính điện từ của EBG. [3]
 Tính đối xứng tịnh tiến (Translational symmetric)
Một cấu trúc được coi là thỏa mãn tính đối xứng tịnh tiến nếu nó không
thay đổi gì khi tịnh tiến bởi một vectơ
d
.
 
 
   
rdrr
d
T


(2.1)
Khi một hệ thống thỏa mãn (2.1) với mọi vectơ dịch chuyển, nó được coi
là có tính tịnh tiến liên tục.
Trong thực tế các cấu trúc EBG không có tính đối xứng tịnh tiến liên tục
mà chỉ đối xứng tịnh tiến rời rạc. Tức là EBG chỉ thỏa mãn (2.1) với một số
vectơ dịch chuyển nhất định là bội số của một độ dài cố định a (chu kì),
a
gọi là

vectơ tịnh tiến cơ sở:
   
arr 


   
Rrr 

,
asR .
(2.2)
Do đó, cấu trúc vật liệu tuần hoàn EBG có thể được tạo ra bằng cách lặp lại
nhiều lần một cấu trúc đơn vị (unit cell) như hình 2-2.

Hình 2-2: Cấu trúc tuần hoàn (EBG)
Unit cell
r
a
25

 Định lí Bloch và điều kiện bờ tuần hoàn.
Theo lí thuyết Bloch, sóng điện từ có thể lan truyền không bị tán xạ trong
môi trường cấu trúc tuần hoàn. Xét một cấu trúc có hàm điện môi tuần hoàn:
 








332211
asasasrr

(2.3)
Khi đó, sóng điện từ có thể biểu diễn bằng tích của một sóng phẳng với
hàm tuần hoàn:
 
ru
rki
eH .


(2.4)
Phương trình (2.4) thể hiện định lí Bloch. Giả thiết có một cấu trúc bất
biến kích thước vô hạn trên phương x, tuần hoàn trên ý nghĩa là thỏa mãn đối
xứng khả tịnh tiến liên tục trên phương x, đối xứng khả tịnh tiến rời rạc trên
phương y, với vectơ tịnh tiến cơ sở
yaa .
. Theo định lí Bloch, trường trong cấu
trúc được xác định bởi biểu thức:
 
zy
y
k
u
y
y
ki
e

x
x
ki
eH ,.

.


(2.5)

Với hàm tuần hoàn thỏa mãn
),(),.( zyuzasyu 

Nếu xét trường trên phương tuần hoàn y, ta có:
 
zasy
y
k
u
asy
y
ki
e
x
x
ki
easrH ,
) (.
.

).( 



 
 
rH
as
y
ki
ezy
y
k
u
y
y
ki
e
x
x
ki
e
as
y
ki
e .

,.

.

.













(2.6)
Điều đó có nghĩa là ta chỉ cần phân tích trường trên một khối đơn vị, trường
trên các khối lân cận theo phương tuần hoàn có thể suy ra nhờ biểu thức trên.
Phương trình (2.6) là điều kiện bờ tuần hoàn khi nghiên cứu cấu trúc EBG vô hạn.



26

 Miền Brillouin
Lí thuyết Bloch cho thấy: trạng thái Bloch với vectơ sóng k
y
và trạng thái
Bloch với vectơ sóng k
y

+mb là như nhau (b=2π/a). Điều đó cũng có nghĩa là các
tần số mode cũng có tính chất tuần hoàn tương tự cấu trúc:

 
bmk
y
y
k .)( 

(2.7)
Do vậy ta chỉ cần xem xét k
y
trong đoạn







aa

,
. Vùng giá trị số sóng
(wave number) nhỏ nhất cần xem xét được gọi là miền Brillouni. Xét một cấu
trúc tuần hoàn theo hai hướng x và y (thỏa mãn tính đối xứng khả tịnh tiến rời
rạc theo x, y) như hình 2-3. Vùng tam giác đen chính là miền Brillouin mà trên
đó vectơ sóng k cần được quan tâm. Cấu trúc EGB 2 chiều cơ bản đều có miền
Brillouin như vậy. [3,13]
 Đồ thị tán sắc (Dipersion diagram): Là hình biểu diễn quan hệ giữa

mode sóng khả hữu và vectơ sóng k, từ đồ thị này có thể thấy tần số mà sóng
điện từ không thể truyền qua (dải chắn điện từ).

Hình 2-3: Cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouin
2.1.3. Các phƣơng pháp mô hình hóa cấu trúc EBG
Nghiên cứu, phân tích cấu trúc EBG người ta thường sử dụng các phương
pháp số học đê mô hình hóa cấu trúc EBG:
+ Phương pháp đồng nhất thức Rayleigh;
+ Phương pháp Korringa-Korn-Rostoker;
+ Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE);
+ Phương pháp ma trận truyền đạt (TMM);
+ Phương pháp miền thời gian vi sai hữu hạn FDTD.
r
M
x
k
27

Trên thực tế để phân tích cấu trúc EBG về mặt định tính thường dựa trên
một số phương pháp mô hình (mô hình mạch cộng hưởng LC, mô hình đường
truyền) còn phân tích định lượng thực hiện bằng máy tính (một số phần mềm
thương mại: CST, MWS, HFSS [3]. Đề tài sử dụng phần mềm HFSS làm công
cụ khảo sát.
2.1.4. Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten
Ứng dụng của EBG trong thiết kế anten chủ yếu xoay quanh việc lợi dụng
các đặc tính điện từ đặc biệt của nó:
+ Phản xạ sóng phẳng với pha phản xạ bằng 0: Đặc tính này dùng để chế
tạo các anten kích thước nhỏ gọn.
+ Dải tần triệt sóng mặt: Giúp cải thiện hoạt động của anten như tăng độ
lợi, giảm thiểu bức xạ đuôi, bức xạ kí sinh

 Ứng dụng đặc tính pha phản xạ:
Trong thiết kế anten hầu hết có sử dụng mặt phẳng kim loại (PEC) để
định hướng bức xạ về một hướng, tăng độ lợi của anten. Tuy nhiên, mặt phẳng
đất phản xạ sóng phẳng tới vuông góc với pha phản xạ 180
0
. Như vậy, nếu thành
phần bức xạ của anten đặt quá gần mặt phẳng kim loại, sóng tới và sóng phản xạ
ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu nhau làm giảm hiệu suất bức xạ. Để khắc phục
tình trạng này, anten phải đặt cách mặt phẳng kim loại ít nhất /4, như vậy sẽ
làm tăng kích thước anten. [3, 14]
Với cấu trúc EBG có khả năng phản xạ sóng phẳng tới vuông góc với pha
phản xạ bằng 0 (tương như mặt dẫn từ lí tưởng PCM) tại một tần số xác định và
cho pha phản xạ biến thiên liên tục từ 180
0
đến – 180
0
đối với các tần số khác
(cả PEC và PMC đều không có tính chất này). Với tính chất đó, theo nguyên lí
ảnh, cấu trúc EBG sẽ tạo ra dòng điện ảnh đồng pha làm tăng cường hiệu suất
bức xạ của anten đặt gần cấu trúc, nhờ đó mà có thể thiết kế anten với kích
thước nhỏ gọn hơn.
Hình 2-4 dưới đây cho thấy một ví dụ về hệ số phản xạ của một cấu trúc
EBG cấu tạo từ các thanh kim loại tròn đặt song song với trường E khi được
chiếu tới bởi một nguồn sóng phẳng. [12]