nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật với kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin cảm ơn các thày cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tình truyền đạt kiến
thức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện để em có thể thực
hiện khóa luận này.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị Tú Quỳnh,những
người đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận.
Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trong những lúc
gặp khó khăn khi thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả.
Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010
Sinh viên
Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

LỜI MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các
thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Đe thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di
động, anten gắn trên các thiết bị đàu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phang, chẳng
hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn
như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đàu cuối, sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở
trên. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu anten.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phang mới được thiết kế thỏa mãn các yêu càu về
băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for
Mobile communication, 890 - 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 - 1880 MHz),
PCS (Personal Communication System, 1850 - 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System, 1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tài
liệu liên quan.

Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống
mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tàn 2.4 GHz (2400 -
2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 - 5350 MHz).Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp nên việc mở rộng
băng thông thường là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó,
việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực
tế của anten vi dải.
Khóa luận tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật với kỹ thuật
tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR nhằm làm rõ những đặc trưng cơ bản như đặc tính bức
xạ,băng thông trở kháng của anten vi dải.
Khóa luận gồm 3 chương :
> Chương 1 : Lỷ thuyết về anten và anten vi dải.
> Chương 2 : Giới thiệu phần mềmAWR.
> Chương 3 : Thiết kể,mô phỏng anten vì dải bằngAWR.
Phần đầu trong chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten cùng với các tham số cơ bản của nó như
giản đồ bức xạ,hệ số định hướng,hệ số tăng ích Phàn tiếp theo trinh bày sơ lược về lý thuyết anten
vi dải,ưu và nhược điểm các loại anten vi dải và các kỹ thuật tiếp điện thường gặp cho chúng.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 11
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Chương 2 trình bày một cách tổng quát về cách tổng quan về phàn mềm thiết kế AWR,SƠ lược
cách sử dụng phàn mềm.
Chương 3 đi vào tính toán,thiết kế các tham số cần thiết cho một anten patch vi dải tuyến tính
ghép khe hở và tiến hành mô phỏng nó trên phàn mềm AWR.Cuối chương 3 là phần kết luận và đặt
ra những hướng phát triển tiếp theo nhằm giúp đề tài hoàn thiện hơn.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 111
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

DANH MỤC HÌNH VẺ.

Hình 1. 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ
Hình 1. 2 Các trường bức xạ ở khu xa
Hình 1. 3 Hệ tọa độ phân tích của anten
Hình 1. 4 Bức xạ không hướng tính
Hình 1. 5 Bức xạ hướng tính
Hình 1. 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều
Hình 1. 7 Các búp sóng trong mặt phang 2 chiều
Hình 1. 8 Phân cực của anten
Hình 1. 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải
Hình 1.10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải.
Hình 1.11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100
Hình 1.12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100
Hình 1.13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương
Hình 1.14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng
Hình 1.15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải
Hình 1.16 Anten vi dải lưỡng cực
Hình 1.17 Anten vi dải khe mạch in
Hình 1.18 Anten sóng chạy
Hình 1.19 Cấu trúc đường truyền vi dải
Hình 1. 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Hình 1. 21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục
Hình 1. 22 Kỹ thuật ghép gần
Hình 1. 23 Kỹ thuật ghép khe hở
Hình 1. 24 Cấu trúc song song
Hình 1. 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch
Hình 1. 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều
Hình 1. 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp
Hình 1. 28 Mảng cộng hưởng
Hình 1. 29 Mảng sóng chạy
Hình 1. 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy

Hình 2. 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR
Hình 2. 2 Môi trường thiết kế AWR
Hình 2. 3 Schematic và Netlist
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
31
1
1
1
34
34
1
37
39
E9
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Hình 2. 4 Sơ đồ hệ thống 40
Hình 2. 5 Cấu trúc EM T 40
Hình 2. 6 Các thao tác trên cấu trúc EM 41
Hình 2. 7 Layout Error! Bookmark not deũned.
Hình 2. 8 Layout Manager 43
Hình 2. 9 Truy xuât các tế bào layout trong Cell Libraries 44
Hình 2. 10 Thiết lập tàn số cho hệ thống vss Error! Bookmark not defíned.
Hình 2. 11 Hộp thoại Enclosure Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 12 Định nghĩa một chất điện môi Error! Bookmark not deSned.
Hình 2. 13 Thiết lập thông số cho các lớp chất nền 49
Hình 2. 14 Thiết kế vật dẫn cho cấu trúc 1
Hình 3. 1 Ảnh hưởng của độ dày và hằng số điện môi của chất nền tới băng thông trở
kháng và hiệu suất của anten (với VSWR<2) 1
Hình 3. 2 Anten patch hình chữ nhật 1

Hình 3. 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn 1
Hình 3. 4 Anten vi dải ghép khe hở 59
Hình 3. 5 Thiết lập dãy tàn số hoạt động cho anten 1
Hình 3. 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu 70
Hình 3. 7 Tạo lớp cho anten 70
Hình 3. 8 Tạo vật dẫn cho anten 71
Hình 3. 9 Tạo mặt phẳng đất 72
Hình 3.10 Định vị trí cho mặt phẳng đất 72
Hình 3.11 Thiết kế patch 73
Hình 3. 12 Xác định vị trí cho patch 73
Hình 3.13 Đường truyền vi dải 74
Hình 3. 14 Định vị trí cho đường nối vi dải 74
Hình 3.15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR 75
Hình 3. 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải 75
Hình 3. 17 Đáp ứng tàn số của thông số SI 1 76
Hình 3.18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều 77
Hình 3.19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống 77
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ỉ
LỜI MỞ ĐẦU ỉỉ
DANH MỤC HÌNH VẺ iv
MỤC LỤC 1
Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VÈ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 4
1. Lý thuyết chung về anten 4

1.1. Giới thiệu anten 4
1.2. Các tham số cơ bản của anten 5
1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bỏi một anten 5
1.2.2. Giản đồ bức xạ 6
1.2.3. Mật độ công suất bức xạ 9
1.2.4. Cường độ công suất bức xạ 10
1.2.5. Hệ số định hướng 11
1.2.6. Hệ số tăng ích 11
1.2.7. Phân cực 12
1.2.8. Băng thông 14
1.2.9. Trở kháng vào 15
2. Lý thuyết chung về anten vi dải 15
2.1. Giới thiệu 15
2.1.1. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải 16
2.1.2. Cơ chế bức xạ 17
2.2. Các loại anten vi dải thông dụng 20
2.2.1. Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) 20
2.2.2. Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dỉpole Antenna) 21
2.2.3. Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna) 21
2.2.4. Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna) 23
2.3. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 24
2.3.1. Đường truyền vi dải (Microstrip Feed) 24
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

2.3.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxỉal Feed) 26
2.3.3. Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed) 27
2.3.4. Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed) 27
2.4. Mảng anten vi dải 29
2.4.1. Giới thiệu 29

2.4.2. Đường dẫn song song 30
Chương 2. TÌM HIỂU PHẦN MÈM AWR 35
1. Giới thiệu phần mềm AWR 35
2. Môi trường thiết kế AWR 36
2.1. Các thành phần cơ bản của AWR 36
2.2. Các thao tác cơ bản trên AWR 38
2.2.1. Schematỉc và Netlist trong MWO/AO 38
2.2.2. Sơ đồ hệ thống trong vss 39
2.2.3. Cấu trúc EM 39
2.2.4. Tạo layout với MWO và AO 41
2.2.5. Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra 44
2.2.6. Biểu diễn mô phỏng 45
Chương 3. THIẾT KÉ ANTEN VI DẢI 51
1. Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế 51
1.1. Chất nền 51
1.2. Hình dạng patch 52
1.3. Kỹ thuật tiếp điện 53
2. Thiết kế,tính toán thông số 54
2.1. Patch 55

2.1.1. Chất nền 55
2.1.2. Tần số thiết kế 55
2.1.3. Mode cơ bản 55
2.1.4. Tỉ số kích thước 56
2.1.5. Chiều dài patch 56
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

2.1.6. Chiều rộng patch 57
2.1.7. Băng thông của patch 57

2.1.8. Vị trí đặt patch 58
2.2. Mặt phẳng đất 58
2.3. Đường nối vi dải 59
2.3.1. Chất nền 60
2.3.2. Sóng trong đường truyền vi dải 60
2.3.3. Độ rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải 61
2.3.4. Giá trị quasỉ-statỉc của trở kháng đặc trưng 61
2.3.5. Độ phân tán trong đường truyền vi dải 61
2.3.6. Độ rộng đường truyền vi dải 64
2.4. Khe hở và nhánh cụt 65
2.4.1. Vị trí đặt khe hở. 65
2.4.2. Độ dài khe hở 65
2.4.3. Độ rộng khe hở 65
2.4.4. Chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt 65
2.4.5. Chiều dài nhánh cụt 66
3. Thiết kế,mô phỏng bằng AWR 67
3.1. Mô phỏng trên AWR 68
3.1.1. Thiết lập thông số cho anten 68
3.1.2. Thiết kế anten trên AWR 71
3.2. Kết quả mô phỏng 76
4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài 78
TÀI LIỆU THAM KHẢ O 80
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VÈ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI
1. Lý thuyết chung về anten.
1.1. Giới thiệu anten.

Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không
gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín
hiệu RF (Radio Frequency : tàn số vô tuyến) và sự bức xạ,lan truyền của sóng điện từ trong không
gian.
Hình 1. 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ
Thông thường,giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực
tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ,gọi là fide (như
hình 1.1).Trong hệ thống này,máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tàn. Dao động điện sẽ
được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát có nhiệm vụ
biến đổi sóng điện từ ràng buộc này
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóng
điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do an ten phát
truyền đi,phàn còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian)và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồi
truyền đến máy thu. Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten-flde là phải thực hiện việc truyền dẫn và biến
đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu.
1.2. Các tham số Ctf bản của anten.
1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten.
Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian,bắt nguồn từ lý
thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ. Trước hết,trường từ biến thiên sinh ra trường điện biến
thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường
từ biến thiên. Quá trinh này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phàn
phụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H).Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc
với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian.
Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten,nó sẽ hình thành hai trưòmg.Một trường là trường

cảm ứng (trường khu gàn),trường này bị ràng buộc với anten,có cường độ lớn và tuyến tính với năng
lượng được gởi đến anten. Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phàn là điện
trường và từ trường (hình 1.2).Tại khu xa,chỉ có bức xạ được duy trì.
TRAHSMtTTIN
G
ANTENNA
RECEIVIN
G
ANTEMNA
MAGNETIG PIELỮ
Hình 1. 2 Các trường bức xạ ở khu xa.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
5
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Hai thành phàn điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trường điện từ.Trường
điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự do. Sóng vô tuyến là một trường điện từ
di chuyển.Trường khu xa là một sóng phẳng;khi sóng truyền đi,năng lượng mà nó mang theo tài trên
một diện tích tăng dần theo khoảng cách.Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước
giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng.
1.2.2. Giản đồ bức xạ.
Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định
và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặc tính bức xạ và đặc
tính định hướng của anten.
Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không gian.
Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công suất bức
xạ,cường độ bức xạ,hệ số định hướng
Hình 1. 3 Hệ tọa độ phân tích của anten.

Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều
do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
6
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đàu vào thành công suất
bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten
tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế.
Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhất
định và mạnh hơn các hướng còn lại.
2
Hình 1. 4 Bức xạ đẳng hướng.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính của anten.Mặt
phang E được định nghĩa là mặt phang chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phang
H được định nghĩa là mặt phang chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta
thường chọn hướng của anten sao cho mặt phang E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ
(mặt phẳng x,y hoặc z) như hình 1.5.
Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân
thành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực 3D
đối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy
khác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D).

Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại,trong hình 1.6 thùy chính có hướng 0 = O.Trên
thực tế,có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính.Thùy phụ là bất kỳ thùy nào ngoài thùy chính.Thông
thường,thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính và định xứ ở bán càu theo hướng của thùy
chính.Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 130° so với thùy chính và thường định xứ ở
bán càu ngược với thùy chính.
z
i
Hist Iiull beamwirith
Hình 1. 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
8
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Radiation
intensity
Half power beamvũrith (HPBVVl
Fiisr Iiull beamwidth iFÍIBW|
Hình 1. 7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều
1.2.3. Mật độ công suất bức xạ.
Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫn
sóng.Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tức
thời:
w = E X H (1.1)
w = vector Poying tức thời (W/m* )
E = cường độ điện trường tức thời (V/m)
H = cường độ từ trường tức thời (A/m).
Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thành phàn pháp
tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín.

p = <Ị])W xds = (Ị]jW x n xd a (1.2)
s s
p = tổng công suất tức thời (W).
= vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt. da = vi
phân diện tích của bề mặt (
m
*).
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
9
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Khi trường biến đổi theo thời gian,ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy tích
phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ.Khi trường biến đổi tuần hoàn
theo thời gian có dạng '
r
,ta định nghĩa được thành phần E và
H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H theo công thức như sau :
Thành phàn đàu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phàn thứ hai biến đổi theo
thời gian với tần số bằng 2 lần tần số
ÙJ
cho trước. Vector Poying trung bình theo thời gian (mật độ
công suất trung bình ) có thể được viết lại :
W
BỈ Ĩ
(_x
r
y,z) = Ị_W(_x,y
ẳ

Zỉtyị
av
= ịRe[E X *] ^ Q
Dựa trên (1.6),công suất phát xạ trung bình của anten có thể được định nghĩa là :
1.2.4. Cường độ công suất bức xạ.
Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bức xạ từ anten
trên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và được xác định bằng cách nhân
mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách :
E (x,y,z)= Re [E(x,y,z) e*-] 4 Re [E + F
Ệ
e-i
Bt
] (1.3)
H(x,y,z)= Re [H(x,y,z) e
Jíjr
] = 2 Re -ị- H ữ ] (1.4)
(1.7)
X J =
r>xW
rnd
(1.8)
Trong đó u là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

W
7
rađ là mật độ công suất bức xạ (W/™
3

).
Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :
P
raế
- j^UdJl - Ị Ị siaỡ dipdd
(1.9)
dlì — sin. ớ dípdd là đơn vị góc khối (steradian).
1.2.5. Hệ số định hướng.
Hệ số định hướng (D) của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ của aten theo một hướng cho trước
so với cường bức xạ trung bình theo tất cả các hướng.Neu hướng không được xác định thì hướng của
cường độ bức xạ cực đại được chọn.
Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ của
anten theo hướng cho trước ) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng
với í 01 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính.
1.2.6. Hệ số tăng ích.
(U„).
u *nU D -
Ư
B
Prađ
(1.10)
(1.12)
Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên).
u là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối), ĩín là
cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng . Pr-ad là
tổng công suất bức xạ (W).
Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức :
32.4Ơ0
D =——
(1.13)

Sinh viên : Phạm Phú Hưng 11
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G).Hệ số tăng ích
có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc tính
hướng tính của nó.Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten.
Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng và khoảng
cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) theo
hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn có
hiệu suất bằng 1.
Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác dụng
của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sự
phân cực).Trong thực tế,tham số này đã đưa ra tham số hiệu suất của anten , V , cho biết hiệu suất
của quá trình biến đổi công suất đàu vào thành công suất bức xạ như thế nào.
1.2.7. Phân cực.
Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực của sóng được truyền đi bởi
anten.Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân cực theo hướng có hệ
số tăng ích cực đại.
Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đàu mút của vector trường khi được
quan sát dọc theo chiều truyền sóng.Một phân cực của anten có thể được phân loại như tuyến
tính,tròn hay ellip.
Mệt đố Còng suit theo hướng í&,(pì
G = TỊ xD
(1.15)
Eỉ
c
Hình 1. 8 Phân cực của anten
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 12
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

a.Phân cực thẳng ; b. Phân cực tròn ; c. Phân cực ellip
Đầu mút của vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ gọi là phân cực phải
(clockvvise_CW) và quay ngược chiều kim đồng hồ gọi là phân cực trái (counterclockwise CCW).
Trường của sóng phang khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểu diễn như
sau :
E (z;t) = ẶsE X (z;t) + ®i'E y(z;t) (1.16)
Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phàn tức thời và thành phàn phức :
E X (z;t) = Re [Ex e/C"fc+*=)] = Re [£r*
- Ẹx
P
cữ5(£ỉJt + kz + Ỡx) (1.17)
E y(z;t) = Re [
E
v eJ^
Uk2
ì-ị =
Re
[Êy
0
e
}[Mt+fiz+ey)^
= E
ya
cas[củt +kz + 6y) (1 Ig)
Với
'
E
y ũ

tương ứng là biên độ cực đại của các thành phàn theo trục X và trục
Phân cực thẳng
Đe bức xạ có phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa hai thành phần phải là :
= <p.y = rnt n=0,l,2,3 (1.19)
Phân cực tròn
Phân cực tròn có thể đạt được khi hai thành phàn có biên độ bằng nhau và có độ lệch
n
pha theo thời gian giữa chúng phải bằng số lẻ làn 2 .Tức là :
|E X |=|E y| <=>
E
xt=
E
>n (1.20)
A ẹ = - (y =
+ Ễ + 2ĩijĩT với n — 0,1,2 ^đối vói cwj
^ + 2tiỊtỉ: vởi n — 0,1,2 ^đốỉ với ccw^ ^ 2Yị
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Phân cực elỉp
Phân cực elip có thể đạt được khi hai thành phàn có biên độ không bằng nhau và có
n
độ lệch pha theo thời gian là số lẻ làn 2 hoặc độ lệch pha của hai thành phàn không phải
K
là bội của 2 (không quan tâm đến biên độ của chúng).
1.2.8. Băng thông.
Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn
nhất định.Băng thông có thể là khoảng tàn số,về hai bên của tàn số trung tâm (thường là tàn số cộng
hưởng),ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào,độ rộng búp sóng,hướng búp sóng,giản
đồ,phân cực,cấp thùy bên, ) đạt giá trị có thể chấp nhận được.

Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phàn trăm của sự sai khác giữa hai tàn
số (tàn số trên và tàn số dưới ) so với tàn số trung tâm.
Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực .của
anten không biến đổi giống nhau theo tàn số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau.Tùy các
ứng dụng cụ thể,yêu càu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp.
E x | * |Ey| <=> ^ Eyn
(1.22)
: > 0 đối VỚI cw
[< 0 đổ! vời ccw
(1.24)
ímax - fmi
BW =
min
X 100%
Đ
(1.25)
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 14
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

1.2.9. Trở kháng vào.
Trở kháng vào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó
hay tỉ số điện áp trên dòng điên hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tương ứng tại cùng một
điểm.ở đây,ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đàu vào của anten.TỈ số điện áp trên dòng điện ,trong
trường hợp không có tải,xác định trở kháng của anten :
R 7- là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (O)
R
ỉ là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (O)
Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần só.Do đó anten chỉ phối họrp tốt với

đường tiếp điện ở trong cùng một dải tàn nào đó.Hơn nữa,trở kháng vào của anten còn phụ thuộc vào
nhiều yếu tố kháng như : hình dạng anten,kỹ thuật tiếp điện, các yếu tố xung quanh Do sự phức tạp
của nó,chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu,phân tích tỉ mỉ.Với các loại anten
khác ,trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm.
2. Lý thuyết chung về anten vỉ dải.
2.1. Gỉớỉ thiệu.
Các khái niệm đàu tiên của anten vi dải
được đưa ra bởi Deschamp
(1953),Gutton và Baissinot (1955).Tuy
nhiên,mãi đến những năm 70,khi các
Sinh viên : Phạm Phú
%A = RA + %A Với Zđ là trở
kháng đàu vào của anten )
RA là điện trở của anten tại các đàu vào (-0 )
%A là kháng trở đàu vào của anten )
Nói chung thành phàn điện trở trên bao gồm 2 thành phàn :
R
A
=
R
r

+ R
J
(1.28)
(1.26)
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

yếu tố kỹ thuật được đáp ứng đày đủ (chất nền tốt,các mô hình lý thuyết đày đủ hơn, ),thì anten vi
dải mới được phát triển mạnh mẽ với các ưu điểm nổi bật như khối lượng nhẹ,thể tích nhỏ,giá thành

thấp,cấu trúc đơn giản,thích hợp với các mạch tích hợp
nhất của một anten vi dải bao gồm một patch bức xạ nằm trên một nền điện môi
(e,, < lũ ) và một mặt phang đất (ground plane) nằm ở mặt còn lại của chất nền.Chất dẫn
patch,thường bằng đồng hoăc vàng,có nhiều hình dạng khác nhau nhưng các dạng thông
thường nói chung là thường được sử dụng để dễ phân tích cũng như tính toán hiệu suất.
Hằng số điện môi (t"> ) của chất nền đóng vai trong quan trong nhất đối với hoạt động
của anten vi dải.Nó ảnh hưởng đến đăc tính trở kháng,tàn số cộng hưởng,băng thông,hiệu
suất của anten.Trong điều kiện lý tưởng,hằng số điện môi nên có giá trị thấp (e„ ^ 2.5 )
để mở rộng vùng viền (fringing fĩeld) vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạ
của anten vi dải.Tuy nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sử
dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn (£r ^ 10 ).
2.1.1. Ưu điểm và hạn chế của anten vỉ dải.
Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thường
khác và các ứng dụng của nó trải khắp dải tàn số băng rộng 100 MHz-100GHz.Một số ưu
điểm nổi bật của anten vi dải là :
> Trọng lượng nhẹ,thể tích nhỏ,cấu trúc phang và mỏng nên dễ chế tạo.
> Giá thành sản xuất thấp,thích hợp với sản xuất số lượng lớn.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Hình 1. 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải
Hình 1.9
mô tả câu trúc đơn giản
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

> Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ tiếp điện thuật đơn giản.
> Dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp microwave.
> Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thời trên cùng
một cấu trúc anten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các anten microwave
thông thường:

> Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%).
> Độ lợi thấp ( - 6 dB ).
> Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten.
> Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian.
> Muốn các mảng anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điện phức tạp.
> Xuất hiện bức xạ nhiễu từ đường tiếp điện và mối nối.
> Xuất hiện sóng mặt.
> Khả năng điều khiển công suất thấp (™10DW ).
> Giới hạn hệ số tăng ích cực đại (
V,:
2G ứB y
Có nhiều phương pháp để tối thiểu hóa các hạn chế của aten vi dải. Ví dụ như ta có thể tăng băng
thông lên 60% bằng các kỹ thuật đặc biệt; các hạn chế về độ lợi và công suất có thể được khắc phục
khi dùng các cấu trúc mảng anten
2.1.2. Cơ chế bức xạ.
Bức xạ của anten vi dải có thể được xác định bởi phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất.Nói
cách khác bức xạ của anten vi dải có thể được biểu diễn bởi phân bố dòng bề mặt của patch.Việc tính
toán một cách chính xác phân bố dòng hay trường của patch
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
17
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

rất phức tạp nên ta có thể sử dụng các tham số đơn giản và các thuật toán xấp xỉ để khái quát mô hình
làm việc cua anten vi dải.
Hình 1. 10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải.
Giả sử anten patch vi dải được nói với một nguồn microwave.Năng lượng trên patch sẽ tạo nên
các điện tích phân bố ở mặt trên và dưới của patch.Quá trình tương tự xảy ra ở mặt phẳng đất (hình
1.10).Anten patch có độ dài khoảng nửa bước sóng nên các phân bố điện tích được hình thành như
hình 1.10 .Phân bố điện tích này được kiểm soát bởi hai cơ chế tương tác giữa các điện tích :
> Lực đẩy giữa các điện tích giống nhau ở đáy patch có xu hướng làm đẩy các điện tích ở

đáy và cạnh lên bề mặt trên của patch.
> Lực hút giữa các điện tích trái dấu ở đáy của patch và mặt phang đất,lực hút này giữ các
điện tích tập trung ở đáy của patch.
Sự di chuyển của các điện tích dưới sự tương tác của các lực trên tạo nên các dòng
chảy trên bề mặt và đáy của patch (ỉh :/r) .Đa số các anten vi dải có h/w rất nhỏ nên lực hút giữa các
điện tích trái đấu chiếm ưu thế và hàu hết các điện tích tập trung dưới đáy patch.Chỉ một lượng nhỏ
điện tích từ các cạnh lên trên bề mặt patch nên dòng do nó tạo ra rất nhỏ.Do đó thành phàn tiếp tuyến
từ trường được tạo ra cũng rất nhỏ,ta có thể xấp xỉ nó bằng O.Hơn nữa độ dày h của chất nền thường
là rất nhỏ so với bước sóng nên trường biến đổi dọc theo h có thể xem là không đổi và điện trường thì
gàn như trực giao với bề mặt patch.Như vậy patch có thể được mô hình hóa như là một hốc cộng
hưởng với tường điện ở bề mặt và đáy cùng với bốn tường từ ở xung quanh bốn cạnh của patch.Bốn
mép của hốc cộng hưởng sẽ biểu diễn bốn khe hẹp,ở đó quá trình bức xạ sẽ diễn ra.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
18
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Hình 1.11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100
y
b)
Hình 1. 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 a.Phân bố từ ở
khe phát xạ ; b. Phân bố từ ở khe không phát xạ.
Như ta thấy ở hình 1.12, bức xạ của hai khe nằm dọc theo trục X (dọc theo L) bằng không do hai phân
bố dòng cùng độ lớn và ngược nhiều nhau. Ở hai khe dọc theo trục y
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
19
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

(dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bức

xạ.Như vậy bức xạ của patch có thể được biểu diễn bằng 2 khe dọc như hình 1.13.
Slots
2.2. Các loại anten vỉ dẳỉ thông dụng.
Anten vi dải được đăc trưng bởi nhiều tham số vật lý. Chúng có thể được thiết kế với nhiều hình
dạng và hướng khác nhau. Một cách tổng quát ta có thể chia anten vi dải ra làm bốn loại cơ bản :
anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy.
2.2.1. Anten patch vỉ dải (Microstrip Patch Antenna)
Một anten patch vi dải,có dạng hình học phang hoặc không phang,nằm trên một mặt của chất nền,
mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức
xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến được mô tả ở hình 1.14, chúng có đặc tính bức xạ gàn
giống nhau mặc dù hình dạng khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình tròn được
sử dụng nhiều nhất. Thông thường chúng có độ lợi từ 5 - 6 dB và có độ rông búp sóng “ - 3dB ở 70“-
90°.
Hình 1. 13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương
Square
Đisk
Rectangle
Ellipse
Sinh viên : Phạm Phú
Equitateraỉ
Trỉa ng le
Ring