Nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc bề mặt anten vi dải trong lĩnh vực tương thích điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--- oOo ---

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC BỀ MẶT ANTEN VI DẢI
TRONG LĨNH VỰC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Niên khoá

: 2013 - 2015

GVHD

: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN

Đà Nẵng, tháng 01 năm 2014

1


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
CÁC TỪ VIẾT TẮC


MỞ ĐẦU
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, chất lượng tín hiệu phụ thuộc rất

nhiều vào hệ thống anten thu phát, đặc biệt là anten vi dải với đặc điểm kích
thước nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, độ lợi cao được sử dụng phổ biến trong
các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại.
Hiện nay hệ thống anten vi dải đa số sử dụng truyền nhận dữ liệu trong
dải tần (200Hz - 10 GHz), các hệ thống anten đặt cùng chung một môi trường
có thể gây nhiễu lẫn nhau nếu sử dụng cùng dải tần số. Việc các thiết bị sử
dụng trong một dải tần rộng hoặc sử dụng cùng một lúc tại nhiều tần số khác
nhau ngày càng phổ biến, do đó việc nghiên cứu để thiết kế các anten vi dải
có cấu trúc bề mặt đáp ứng được các yêu cầu nói trên vô cùng khó khăn và
phức tạp.
Với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc bề mặt anten vi dải trong
lĩnh vực tương thích điện từ” được trình bày trong tiểu luận sẽ giúp chúng ta
có cái nhìn tổng quan hơn về việc nghiên cứu, thiết kế mô phỏng anten vi dải
dùng trong hệ thống thông tin vô tuyến.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Trước năm 1979, nhiều nước trên thế giới vẫn chưa coi trọng về vấn đề
tương thích điện từ và lúc đó một số nhà sản xuất thiết bị điện, điện tử, tin học
đã tự đưa ra các quy định về tương thích điện từ trong khi sản xuất các sản
phẩm của mình. Bắt đầu từ năm 1979, Ủy ban về thông tin liên lạc của Hoa
Kỳ (FCC) đã đưa ra các quy định đầu tiên về tương thích điện từ và cho đến
nay Hoa Kỳ và các nước khác đặc biệt là các nước Châu Âu đã ban hành đầy
đủ các quy định về Tương Thích Điện Từ (TTĐT).
Hiện nay các sản phẩm điện, điện tử, tin học khi sản xuất và phân phối
trên thị trường trong nước và ngoài nước đều phải tuân thủ các quy định về
TTĐT. Từ vai trò quan trọng của tính TTĐT đối với các sản phẩm, đặc biệt là
đối với các mạch tích hợp có mật độ tích hợp ngày càng cao và tốc độ xử lý

của mạch ngày càng nhanh, việc nghiên cứu về TTĐT luôn là vấn đề phải
được đặc biệt quan tâm. Như vậy mục đích của TTĐT là mang lại sự tương
thích về hoạt động của một hệ thống nhạy cảm với môi trường điện từ của nó,
các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra bởi một phần của hệ thống thiết bị
hoặc bởi nhiễu từ bên ngoài.
Chương này sẽ trình bày một cách tổng quát về khái niệm tương thích
điện từ, mục đích, mô hình cơ bản, các hiệu ứng nhiễu, các kiểu bức xạ cũng
như ảnh hưởng của nó đến các thiết bị điện tử trong lĩnh vực tương thích điện
từ. Ngoài ra, chương này cũng nêu ra một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực
tương thích điện từ như: các đường dây truyền dẫn, phối hợp trở kháng, các
phương pháp kiểm tra và đưa ra mô hình chung để giải quyết các bài toán liên
quan đến tương thích điện từ.


1.2 NGUYÊN LÝ CƠ SỞ CỦA TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
1.2.1 Khái niệm về tương thích điện từ
Tương thích điện từ (TTĐT) là một thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà các thiết
bị điện, điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong một môi trường
có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường
xung quanh chúng tác động vào. Để thực hiện được điều này, chúng ta phải
dùng một kỹ thuật như là một phương tiện cho phép tránh được những hiệu
ứng không mong muốn mà sự nhiễu loạn trên có thể gây ra. Lĩnh vực TTĐT
cũng chỉ rõ toàn bộ các kỹ thuật dùng để xử lý các đặc tính trên.
Định nghĩa 3 kiểu cơ sở trong việc tác động qua lại giữa các hệ thống:
- Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên các thiết bị khác, hiện
tượng giao thoa bên trong của cùng một hệ thống.
- Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên các thiết bị.
- Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường.
Lĩnh vực TTĐT bao gồm các vấn đề sau:
- Sự phân tích các cơ cấu cho ra những hiệu ứng nhiễu.

- Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc do truyền dọc theo các
đường dây kim loại nối với các thiết bị.
- Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện tử, tin học.
- Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép.
- Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành.
- Dự đoán các tình huống xảy ra nhiễu mà khi đó một số thiết bị sẽ
không vận hành theo đúng tiêu chuẩn.
- Các phương pháp lọc nhiễu tần số hoặc thời gian.
- Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh
hưởng của nhiễu.
- Tổng hợp các thiết bị dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
- Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận
được đối với các máy phát và máy thu.


- Hiệu chỉnh quá trình tiếp theo để thực hiện các biện pháp tiếp theo.
Những vấn đề đã giới thiệu ở trên chưa phải là đã đầy đủ vì TTĐT là
một lĩnh vực rất rộng, yêu cầu đặt ra là phương thức xử lý các hiệu ứng không
mong muốn (tức là tìm ra cách để tránh hoặc hủy bỏ nó).
Như vậy, mục đích của TTĐT là đem lại sự tương thích về hoạt động
của một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó, các hiện
tượng nhiễu loạn có thể sinh ra hoặc bởi một phần của hệ thống thiết bị (Ví
dụ: nguồn điện sử dụng tạo ra nhiễu trong một dải tần số rộng) hoặc bởi nhiễu
từ môi trường bên ngoài.
Trong những năm gần đây, hầu như các thành phần và hệ thống điện tử
đều được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực, từ các hệ thống giải trí truyền
thống cho đến các hệ thống tiên tiến nhất như thông tin, định vị hai chiều …
Công nghiệp điện tử ngày càng phát triển và việc nghiên cứu sự tương
thích của trường điện từ ngày càng trở nên bức thiết, tức là các hệ thống và
thành phần của nó ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống và thành phần

khác như thế nào. TTĐT được phát triển từ nhiều năm nay và đã trở thành
một lĩnh vực chuyên ngành trong việc nghiên cứu ứng dụng vào các hệ thống
điện, điện tử, tin học. Nhiều ứng dụng của TTĐT đã được phát triển.
Ngày nay khi công nghiệp điện tử, nhất là công nghệ tích hợp vi mạch
ngày càng phát triển thì việc nghiên cứu TTĐT của của trường điện từ ngày
càng trở nên cấp thiết và trở thành một lĩnh vực chuyên ngành trong việc
nghiên cứu ứng dụng vào các hệ thống điện, điện tử, tin học. Hiện nay, TTĐT
còn được ứng dụng nhiều vào lĩnh vực công nghệ tự động.
Tóm lại, TTĐT là khả năng của một hệ thống điện tử mà chức năng hoạt
động của nó trong môi trường trường điện từ không ảnh hưởng, không gây
nhiễu đến các hệ thống khác cùng hoạt động trong môi trường đó. Đó là một
hệ thống điện tử phải không bị nhiễu từ các tín hiệu bức xạ của các hệ thống
khác, không gây nhiễu làm ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống khác
cũng như không gây nhiễu với chính hoạt động của bản thân nó.


1.2.2 Mô hình cơ bản của TTĐT
Mô hình cơ bản của TTĐT được minh họa ở hình 1.1:
MÔI TRƯỜNG BÊN NGOÀI

THIẾT BỊ B

THIẾT BỊ A

Hình 1.1. Mô hình cơ bản của TTĐT.
Mô hình cơ bản của TTĐT gồm các thiết bị A và B cùng hoạt động trong
cùng một môi trường. Chúng ta không mong muốn A gây nhiễu cho B và
ngược lại, đồng thời cũng không mong muốn môi trường (ví dụ như máy phát
radio) là nguyên nhân bên ngoài tác động vào làm cho cả thiết bị A và B hoạt
động không chính xác. Đó là vấn đề TTĐT.

Như vậy, khái niệm chính trong TTĐT là mối quan hệ giữa: "Nguồn
phát - Đường dẫn - Máy thu" (Source - Path - Receiver). Chúng được mô tả
như sau:
NGUỒN PHÁT

ĐƯỜNG DẪN

MÁY THU

Hình 1.2. Nguồn phát - Đường dẫn - Máy thu
Có 3 thành phần cơ bản trong TTĐT: Nguồn phát, đường dẫn, máy thu.
Máy thu có thể có hai loại khác nhau:
- Loại chủ động: Máy thu thanh hoặc máy thu hình.
- Loại thụ động: Máy vi tính hoặc một số thiết bị điện tử khác.
Nguồn phát chính là nơi sinh ra phát xạ điện từ và sau đó được truyền đi
trên đường dẫn đến máy thu. Tại máy thu nếu mức năng lượng điện từ này đủ
lớn nó sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của máy thu.
Một số đề xuất để giải quyết vấn đề TTĐT trong mô hình này:
- Khử năng lượng tại nguồn phát (nghĩa là ta có thể giảm tổng năng
lượng phát xạ).


- Xác định đường truyền dẫn cho bản thân thiết bị, đường dẫn này phải
được kiểm soát thông qua các dây dẫn hoặc bức xạ ra không gian.
- Xác định đặc tính của máy thu và làm cho nó có thể tăng khả năng
chống nhiễu hơn.
Vấn đề chính là quan tâm đến năng lượng của máy thu với các đặc tính
về sự miễn nhiễm và độ nhạy của nó. Trong công nghiệp tự động ta sử dụng
sự miễn nhiễm giới hạn, trong khi ở các lĩnh vực khác đề cập đến những quy
tắc TTĐT dùng khái niệm tính nhạy cảm.

Việc nghiên cứu TTĐT không chỉ cần thiết đối với những hệ thống phức
tạp mà những vấn đề về TTĐT vốn đã xuất hiện trong các chuyển mạch, thậm
chí trong vi xử lý… mà TTĐT còn xuất hiện khi các thành phần đó hoạt động
và giao tiếp với môi trường bên ngoài.
Khái niệm thành phần:
Thành phần là một thực thể mà có thể mô tả được với kích thước vật lý
và khối lượng. Ví dụ: Transistor là một thành phần, bộ điều khiển động cơ là
một thành phần.
Chúng ta có thể mô tả được kích thước, khối lượng của Transistor và có
thể mô tả một vài tính chất khác. Chúng ta sẽ lắp ráp các thành phần đó lại.
Transistor được làm từ các vật liệu bán dẫn, chất dẻo và kim loại. Các bộ điều
khiển động cơ thì được làm từ các board mạch in, các thành phần tích cực hay
thụ động và các đầu ghép nối.


`

Hình 1.3. Hệ thống và các thành phần.
Khái niệm hệ thống: Hệ thống là sự kết hợp, sự tương tác giữa một thành
phần này với một thành phần khác và với môi trường bên ngoài.
Đôi khi ta cũng sử dụng khái niệm hệ thống con. Đây là một phần của hệ
thống, trong nhiều trường hợp nó được dùng để xác định bản chất vật lý của
các thành phần, đôi khi hệ thống con này cũng được dùng để xác định các hệ
thống đặc biệt cụ thể trong toàn bộ hệ thống.
1.2.3 Các hiệu ứng nhiễu điện từ
Các hệ thống điện, điện tử thường chịu ảnh hưởng bởi các hiệu ứng
nhiễu điện từ, các hiệu ứng này thể hiện một cách khác nhau tùy theo bản chất
của nhiễu, phần tử nhạy cảm, ngưỡng năng lượng phá hủy, các bộ nối giữa
các mạch, các kiểu ghép điện từ ở thiết bị.
Lĩnh vực khoa học về TTĐT sẽ xử lý các vấn đề trên bằng cách:

- Đặc tính hóa nguồn nhiễu, xác định các trường nhiễu có thể gây bức xạ.


- Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ thống bị nhiễu.
- Mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên, từ đó tìm các giải pháp
kỹ thuật bảo vệ.
Việc nghiên cứu các chế độ hoạt động của các thiệt bị điện tử, thử
nghiệm sự nhạy cảm, tiến hành đo các bức xạ khi chúng được đặt trong môi
trường trường điện từ. Cần thiết phải có phương pháp và công cụ thử nghiệm
thích hợp.
Sự khó khăn của việc phân tích điện từ là do sự phức tạp của mạng kết
nối, mạch gồm nhiều tầng và chứa các phần tử không tuyến tính (các
Transistor, cổng…)
Việc mô phỏng được thực hiện trong miền thời gian với mục đích có thể
đưa vào các phần tử không tuyến tính. Việc mô phỏng này được tiến hành
trên các phương trình Maxwell trong miền thời gian để nghiên cứu trường
vùng xa trong một thể tích nhất định trước.
Kết quả mô phỏng tính toán trong miền thời gian có thể được thể hiện
trong miền tần số bằng cách chuyển từ miền thời gian về miền tần số nhờ
phép biến đổi Fourier, phương pháp mô phỏng này được gọi là mô phỏng hỗn
hợp thời gian và tần số.
1.2.4 Trường điện từ và các công cụ thử nghiệm mạch tích hợp
a. Về lý thuyết
Việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến trường điện từ như bức xạ của
anten, sự truyền sóng, sự nhiễu xạ bởi các chướng ngại vật… là việc tập trung
nghiên cứu giải các phương trình của hệ phương trình Maxwell, (do nhà bác
học nổi tiếng James Clerk MAXWELL (1831-1879) công bố năm 1870)
Để giải các phương trình mô tả những vấn đề phức tạp, chúng ta có thể
áp dụng một trong các phương pháp phân tích như: phần tử hữu hạn (FE:
Finite Element), sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD: Finite

Difference Time Domain), ma trận đường truyền (TLM: Transmission Line
Matrix)…


Việc áp dụng các phương pháp trên để tính toán tác động qua lại của
trường điện từ với những đối tượng có hình thể bất kỳ đã trở thành một trong
những đề tài rất được quan tâm bởi các nhà nghiên cứu về lĩnh vực TTĐT
trên cơ sở dựa vào những thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học trong
những năm gần đây.
Về mặt lý thuyết, căn cứ vào các tài liệu và thông tin thu thập được cho
thấy nhiều nhà khoa học ngành Điện tử Viễn thông của các nước có nền khoa
học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Canada… đã tập trung nghiên cứu về
phương pháp TLM và các ứng dụng của nó, nhất là trong khoảng từ năm 1995
cho đến nay.
b. Về các công cụ thử nghiệm
Về các công cụ thử nghiệm, trong giai đoạn hiện nay trên thế giới đã
xuất hiện một số công cụ hoặc các phương tiện để đo nhiễu điện từ phát ra bởi
các linh kiện điện tử. Ứng với mỗi công cụ sẽ có một phương pháp đo riêng.
Các phương pháp đo TTĐT bao gồm:
- Đo bức xạ điện từ bằng tế bào TEM.
- Đo bức xạ điện từ bằng đầu dò từ trường.
- Đo dòng cao tần trên mass (GND và đo nhiễu điện từ dẫn trên ngõ
vào/ra của IC bằng đầu dò.
- Đo nhiễu điện từ dẫn bằng lồng Faraday.
- Đo bức xạ điện từ bằng đầu dò từ tính mạch in ba lớp.
1.3 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN TTĐT
1.3.1 Xu hướng phát triển công nghệ mạch tích hợp và các hệ thống
tự động
Để đáp ứng các nhu cầu về phát triển công nghệ thì trong những năm
gần đây, các mạch tích hợp cũng như các hệ thống tự động đã phát triển một

cách nhanh chóng. Các loại mạch tích hợp Si lần lượt ra đời: MSI, LSI, VLSI,
ULSI. Tuy nhiên, so với các mạch tích hợp Si trên thì các mạch tích hợp


GaAs loại VHSI còn phức tạp hơn nhiều bởi mật độ tích hợp và tốc độ
chuyển mạch ngày càng tăng.
Các hệ thống điện tử ngày nay được tích hợp bằng những vi mạch với
tốc độ rất cao, nhiều chức năng, nhiều module và các thiết bị chuyển mạch.
Những thiết bị điện tử này làm tăng thêm nhiều hơn nữa các chức năng điều
khiển hệ thống. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng là việc lắp ráp và tích hợp các
thành phần sao cho việc bức xạ năng lượng không ảnh hưởng đến các nguồn
năng lượng bên ngoài. Đây là kết quả không dự đoán trước được trong các hệ
thống này.
Để giải quyết TTĐT trong các hệ thống tự động thì người ta phải đưa ra
các tiêu chuẩn để đánh giá hệ thống đó. Ví dụ, ở Châu Âu và Canada thì yêu
cầu về độ bức xạ năng lượng, ở Mỹ thì người ta lại đưa ra bức xạ năng lượng
phải theo nguyên tắc của FCC. Tuy nhiên, chung quy lại đòi hỏi các thiết bị
đó phải có khả năng miễn nhiễm từ các bức xạ khác. Đồng thời, nếu bản thân
thiết bị đó sinh ra bức xạ thì năng lượng bức xạ đó phải nhỏ hơn ngưỡng cho
phép được đề cập trong các tiêu chuẩn đánh giá về TTĐT.
1.3.2 Đường dây truyền dẫn
a. Các loại dây truyền dẫn đặc trưng
Đường dây truyền dẫn được sử dụng để truyền năng lượng từ máy phát
đến anten. Có rất nhiều loại dây truyền dẫn và chúng ta chỉ thảo luận về
những loại dây đặc trưng nhất. Tất cả chúng đều có những chức năng và đặc
tính tương tự nhau. Tuy nhiên cấu trúc thì rất khác nhau và mỗi loại có những
yêu cầu cũng rất khác nhau.
ANTEN
Đường Truyền

MÁY PHÁT
Suy Hao

Hình 1.4. Đường dây truyền dẫn kết nối từ máy phát đến anten.


Có hai loại đường dây truyền dẫn chính, dây trần và dây đồng trục. Có
nhiều điểm khác nhau quan trọng giữa hai loại dây truyền dẫn này:
- Dây trần có dạng giống hình cái thang với phần dây dẫn có vị trí đối
diện với dây khác và bộ phận cách điện nằm giữa chúng. Thuận lợi của loại
này là việc kết nối được thực hiện dễ dàng, không cần phải có các kết nối đặc
biệt nào, giá thành rẻ và độ suy hao thấp. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn
chế sau: do cấu trúc của nó nên khả năng chống nhiễu bên ngoài của nó thấp,
đồng thời nó không có khả năng ngăn chặn các năng lượng bức xạ từ các
đường dây truyền dẫn khác.
- Cáp đồng trục thì khắc phục được một số nhược điểm trên, tuy nhiên
giá thành lại cao và yêu cầu cần phải có các kết nối đặc biệt bao gồm các kết
nối hình trụ được bó chặt vào cáp đồng trục để nó có thể kết hợp được với các
kết nối khác.
Một hạn chế của cáp đồng trục đó là độ suy hao cao nên dẫn đến giảm
công suất được truyền từ anten đến máy thu cũng như từ máy phát đến anten.
Ngoài ra tốc độ truyền sóng cũng nhỏ hơn tốc độ truyền sóng trong
không gian tự do, điều này có nghĩa rằng chiều dài bước sóng bên trong cáp là
khác nhau so với trong không gian tự do, do đó bước sóng trong cáp cũng có
phần ngắn hơn. Cáp đồng trục được bao bọc bởi lớp vỏ cách điện với các
nguồn bên ngoài để tránh các bức xạ từ bản thân nó ra bên ngoài, trong khi
dây trần có cấu trúc đơn giản gồm 2 dây dẫn nằm hai bên của lớp cách điện.
Điều này cho thấy tại sao dây trần lại không cho hiệu quả chống nhiễu tốt như
cáp đồng trục.

Hình 1.5. Truyền dẫn bằng dây trần.


Hình 1.6. Truyền dẫn bằng cáp đồng trục.
b. Chức năng của các đường dây truyền dẫn
Việc sử dụng các đường dây truyền dẫn là phương pháp cơ bản để truyền
năng lượng từ máy phát (hay bộ khuếch đại, nguồn RF) đến anten, bộ chuyển
đổi hoặc một vài loại tải RF khác.
Một vấn đề quan tâm khác cũng rất quan trọng đó chính là việc phối hợp
trở kháng từ các đường dây truyền dẫn đến tải. Để làm rõ khái niệm về truyền
công suất cực đại, đó là việc phối hợp giữa điện trở tải và điện trở nguồn.
Điều này vẫn đúng đối với các đường dây truyền dẫn và năng lượng RF, trừ
khi điện trở được thay bằng trở kháng. Khi thực hiện được phối hợp trở kháng
giữa điện trở tải và điện trở nguồn thì công suất truyền đi sẽ đạt giá trị cực
đại.
ANTEN
Đường Truyền

MÁY PHÁT

Trở kháng đường truyền Zc

Trở kháng Anten Za

Hình 1.7. Truyền năng lượng từ máy phát đến anten thông qua dây dẫn.
Năng lượng truyền đạt cực đại khi Z a = Z c và khi đó công suất phản xạ
bằng 0. Trong thực tế số lượng lớn năng lượng sẽ bị phản xạ, do đó sẽ không
có thành phần thực tế nào hoàn hảo cả. Công thức tính hệ số phản xạ

Γ = Za − Zc / Za + Zc

Γ là:
(1.3)


Trong đó
Za : Trở kháng tải.
Zc : Trở kháng đặc tính đường dây truyền dẫn.
Tỷ số sóng đứng (SWR) có liên quan đến hệ số phản xạ:

SWR = (1+ | Γ |) / (1− | Γ |)

(1.4)

Cũng từ các ứng dụng thực tế, hệ số phản xạ cao có thể phá hủy các thiết
bị kiểm tra thực tế hoặc ít ra cũng làm cho các kết quả bị sai lệch.
c. Trở kháng đặc tính của đường dây truyền dẫn
Trở kháng đặc tính của đường dây truyền dẫn không đơn thuần chỉ là
một điện trở mà là một quan hệ phức tạp giữa điện kháng của các thành phần
và tần số của tín hiệu RF. Một thành phần khác, đó là tốc độ truyền của tín
hiệu dọc theo đường dây, trong không khí tốc độ truyền bằng tốc độ ánh sáng
trong chân không, trong đường dây thì tốc độ truyền chỉ là một phần của tốc
độ ánh sáng. Tốc độ truyền thông thường (gọi là hệ số tốc độ so với tốc độ
ánh sáng) là khoảng 60% đến 80% tốc độ ánh sáng. Trở kháng đặc tính của
các đường dây thông thường cũng khoảng từ
đồng trục và khoảng

50Ω đến 100Ω đối với cáp

300Ω đối với loại dây trần hay dây xoắn đôi.

Các đặc tính khác của dây trần so với cáp đồng trục:
- Dây trần có độ suy hao thấp do dễ dàng kết nối.
- Cáp đồng trục có giá thành cao và yêu cầu các đầu nối đặc biệt, điều
này gây khó khăn cho việc lắp đặt. Những đầu nối này là cần thiết, tuy nhiên
phải giữ được chính xác hình dạng của nó để đảm bảo trở kháng đặc tính của
đường dây không đổi.
Đặc điểm của cáp đồng trục là có một lớp vỏ cách điện với các nguồn
bên ngoài để tránh các bức xạ từ bản thân nó ra bên ngoài, trong khi đó dây


trần có cấu trúc rất đơn giản gồm hai dây dẫn nằm hai bên của lớp cách điện,
điều đó ta thấy rằng tại sao các dây trần lại không chống được nhiễu từ các
nguồn năng lượng bên ngoài.
Việc chọn loại cáp nào cũng rất quan trọng, nó phụ thuộc rất nhiều vào
các hệ số, gồm có: hệ số suy hao, kích thước vật lý và trở kháng… của mỗi
loại cáp. Thông thường khi làm việc theo chuẩn TTĐT thì trở kháng của cáp
từ

50Ω đến 75Ω .
1.3.3 Lớp vỏ bọc
Lớp vỏ bọc là một khái niệm đơn giản và trong lĩnh vực TTĐT, nó có

hai chức năng chính:
- Giữ phát xạ ở bên trong lớp vỏ.
- Giữ các nguồn năng lượng bên ngoài ở ngoài lớp vỏ.
Vai trò của lớp vỏ bọc là cách ly trường điện từ khỏi các thành phần
đang hoạt động. Lớp vỏ bọc được dùng để chống lại cả điện trường lẫn từ
trường. Hiệu quả của lớp vỏ bọc (viết tắc SE - Shielding Effectiveness) được
thể hiện bằng độ cách ly của trường, người ta đo độ cách ly với các độ mạnh

khác nhau của trường bằng đơn vị dB. SE được tính bằng tỷ số giữa cường độ
trường ở bên này của lớp vỏ bọc và cường độ trường bên kia lớp vỏ bọc. Các
loại vỏ tốt thông thường phải có SE

≥ 100 dB. Thách thức ở đây chính là để

đạt được các mức SE cao, đặc biệt ở các tần số cao, lớp vỏ bọc phải không có
bất kỳ một khuyết tật nào như không có bất kỳ lỗ trống, khe hở nào. Nếu lớp
vỏ bọc xuất hiện các khe hở thì hiệu quả bọc chắn sẽ giảm đi rất đáng kể. Một
phức tạp khác nữa là cần phải có nhiều kinh nghiệm và thời gian hơn bởi vì
sự gia tăng về mặt tốc độ của các máy tính đòi hỏi phải có sự bảo vệ cho các
thiết bị ngoại vi, cáp nguồn và các thiết bị I/O.
Quá trình thực tế xảy ra trong lớp vỏ bọc bao gồm hai phần chính sau:
- Sự phản xạ của các trường tới.
- Sự hấp thụ năng lượng bên trong các vật liệu của lớp vỏ.


Nguồn năng lượng ở phía bên trái của lớp vỏ bọc và thiết bị cần bảo vệ
nằm ở bên phải của lớp vỏ. Đối với lớp vỏ bọc chắn trường điện từ (ở các tần
số thấp), phản xạ là nguyên nhân chính của SE và ở các tần số cao sẽ xảy ra
sự hấp thu năng lượng bên trong các vật liệu.
Thông số chính trong thiết kế lớp vỏ bọc là độ dày của vật liệu. Cần biết
rằng điều này rất quan trọng đối với độ dày của bề mặt ở các tần số đặc biệt
liên quan. Nếu độ dày của vật liệu lớn hơn hoặc bằng độ dày của bề mặt thì sẽ
có sự suy hao bên trong vật liệu.
1.3.4 Kiểm tra tương thích điện từ
a. Các quy tắc về TTĐT
Các vấn đề TTĐT thông thường có thể gồm sự kết hợp giữa các quy tắc
như sự kết hợp của các tần số, kích thước của các thành phần, việc lắp ráp các
bộ phận lại với nhau…

TTĐT được chia thành 3 nguyên tắc dựa trên kỹ thuật kết nối:
- Đường dẫn bức xạ.
- Đường dẫn thiết bị dẫn.
- Sự kết hợp của hai kỹ thuật trên.
Trong mỗi kỹ thuật bức xạ hay thiết bị dẫn thì được chia thành hai quy
tắc nhỏ nữa là sự phát xạ và sự miễn nhiễm. Ta có sơ đồ hình 1.8.

TƯƠNG TH

BỨC XẠ

PHÁT XẠ
Hình 1.8. Các nguyên tắc TTĐT
Như vậy hiện tượng bức xạ chia làm hai loại:

MIỄN NHIỄM


- Bức xạ phát xạ (RE): Liên quan đến cơ chế sinh ra các năng lượng bức
xạ điện từ không mong muốn vào môi trường chung quanh gây ảnh hưởng
đến các thiết bị điện tử khác.
- Bức xạ miễn nhiễm (RI): Liên quan đến cơ chế chống lại các bức xạ
điện từ từ các thiết bị khác vào các bộ phận đang hoạt động của hệ thống.
Và hiện tượng dẫn cũng được chia làm hai loại:
- Dẫn phát xạ (CE): Liên quan đến cơ chế các năng lượng điện từ được
tạo ra từ các mạch điện tử ảnh hưởng đến các bộ phận khác trong mạch (đặc
biệt là nguồn cung cấp AC) thông qua các dây cáp truyền dẫn tín hiệu giữa
các thiết bị.
- Dẫn miễn nhiễm (CI): Liên quan khả năng chống lại các nhiễu điện từ
sinh ra từ bộ nguồn AC, các mạch điện tử đến thiết bị hoạt động của hệ thống.

Còn ESD bao gồm sự kết hợp giữa hiện tượng bức xạ và hiện tượng dẫn.

Potentiall
Noise
component
Potentiall
Susceptible
Susceptible
component
component

Noise component

Hình 1.9 cho ta hình dung một cách cụ thể các quy tắc trên.

(d)


Hình 1.9. Các nguyên tắc TTĐT : (a) bức xạ phát xạ, (b) bức xạ miễn nhiễm,
(c) dẫn phát xạ, (d) dẫn miễn nhiễm.

b. Các thiết bị đo TTĐT
Đa số các tín hiệu RF được tạo ra từ các thiết bị có trở kháng nguồn
khoảng

50Ω .

50Ω
50Ω

Xc

Hình 1.10. Trở kháng nội

Hình 1.11. Trở kháng của hầu hết

của nguồn tín hiệu RF.

các thiết bị đo RF.

Hầu hết các thiết bị đo TTĐT đều có trở kháng đầu vào là

50Ω . Cũng có

một vài trường hợp ngoại lệ: các máy đo điện áp và máy hiển thị dạng sóng
có thể có trở kháng cao hơn. Sở dĩ trở kháng bằng

50Ω chung cho các thiết bị

kiểm tra là do có sự phối hợp trở kháng của phần lớn các cáp đồng trục được
sử dụng hầu hết trong các phòng thí nghiệm. Có thể sử dụng trở kháng cao
hơn

50Ω khi gặp trường hợp phức tạp. Việc đo sẽ phụ thuộc vào tần số, dựa

trên việc phối hợp không đối xứng của cáp, nguồn và trở kháng tải.

(a)

c. Bộ khuếch đại công suất

(c)

Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần quan trọng của
hệ thống kiểm tra sự miễn nhiễm RF. Bộ khuếch đại này được dùng trong
kiểm tra bức xạ sử dụng anten hay các tế bào TEM và kiểm tra dây dẫn sử
dụng máy dò phun dòng điện hoặc các mạng nhân tạo.
Yêu cầu về khuếch đại công suất phụ thuộc vào:
- Độ lợi anten và khoảng cách kiểm tra dự định trong phòng kiểm tra.
- Đối với việc kiểm tra dây dẫn, sử dụng các hệ số của các bộ chuyển đổi
khác.

d. Thiết bị kiểm tra và thiết bị giám sát
Thiết bị kiểm tra được thiết kế cơ bản để định lượng các hệ thống anten
và có những đặc điểm sau:
- Máy phát tín hiệu RF phải ở dải tần từ LF đến VHF và cả UHF.
- Bộ đếm tần số.
- Máy đo điện cảm.
- Máy đo điện dung.
- Đo SWR như là một chức năng của tần số.
EUT giám sát có thể là loại số, tương tự hoặc giám sát bus thông tin,
chẳng hạn như các đường link audio hoặc video. Chúng thường được kết nối
đến cổng điều khiển hoạt động thông qua cáp sợi quang mà không làm ảnh
hưởng đến trường gần EUT. Cáp sợi quang có thể xuyên qua hàng rào bảo vệ
thông qua các ống dẫn có đường kính được xác định bởi tần số cao nhất được
sử dụng trong các hốc kiểm tra và có chiều dài được lựa chọn để cung cấp
mức suy hao tối thiểu có thể.
e. Các kết quả phân tích
Trước khi bắt đầu việc kiểm tra, nên xem xét lại thiết kế, việc bố trí sắp

xếp và đóng gói để được kết quả tốt hơn. Quá trình kiểm tra phải được tiến


hành kỹ lưỡng, cẩn thận, phải xem như là một kế hoạch kiểm tra với các bước
tiến hành như sau:
- Mô tả kỹ lưỡng các hoạt động của EUT với sơ đồ, biểu đồ, sơ đồ bố trí.
- EUT, dụng cụ dây dẫn với các kết nối và mô phỏng nếu cần thiết.
- Thiết bị giám sát, cáp sợi quang, video…, chúng phải không ảnh hưởng
đến sự miễn nhiễm của EUT khi thêm vào.
- Kiểm tra các tần số (các mức miễn nhiễm) dựa trên các nguyên nhân
làm cho EUT sai số từ các thiết bị gây nhiễu hoặc các dịch vụ vô tuyến…
- Các chế độ hoạt động trong phòng kiểm tra EUT dựa trên việc phân
tích các chế độ.
- Phần mềm kiểm tra sản phẩm, chế độ hoạt động.
1.4 MÔ HÌNH TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
1.4.1 Mục đích của mô hình TTĐT
Hai vấn đề quan trọng khi thiết kế một thiết bị điện tử là độ nhạy cảm
điện từ hoặc tính miễn nhiễm điện từ (tức là tính ít bị ảnh hưởng của nhiễu
điện từ) và mức độ gây nhiễu của nó. Do số lượng lớn và tính phức tạp của
các thông số trong hệ thống điện tử đã gây nên các hiện tượng nhiễu điện từ
bức xạ và nhiễu điện từ dẫn. Việc nghiên cứu, phân tích, đánh giá các hiện
tượng trên là vấn đề vô cùng phức tạp. Chính vì vậy, cũng như các lĩnh vực
kỹ thuật khác, người ta cũng đưa ra mô hình trong TTĐT nhằm triển khai
được các bước chính trong quá trình sản xuất. Đồng thời, từ việc định nghĩa
một mô hình dựa trên các thành phần nhỏ thì có thể nâng cấp các thành phần
này thành những hệ thống phức tạp hơn.
Mục đích của mô hình TTĐT là lấy dữ liệu mức thành phần và sử dụng
dữ liệu này để làm tăng độ chính xác của việc phân tích mức hệ thống, cụ thể
là:
- Sử dụng mô hình để tạo nên một chức năng chuyển đổi từ các thông tin

mức thành phần, sau đó dùng chức năng chuyển đổi này ở mức hệ thống.
- Sử dụng mô hình để triển khai kiến thức về trở kháng của hệ thống.


- Mô hình hóa các đường dẫn của dòng điện kiểu vi sai hay chung.
1.4.2 Giá trị của mô hình TTĐT
Thực hiện kiểm tra TTĐT là vấn đề tốn kém rất nhiều thời gian và chi
phí. Phương pháp số học và phân tích hợp lý sẽ trở thành một phương pháp
quan trọng để xác định ảnh hưởng của các trường bên ngoài đến các hệ thống
điện tử bên trong hệ thống hoặc có thể dự đoán được các bức xạ đó tăng lên
như thế nào. Chính vì vậy, mô hình TTĐT thích hợp có thể làm giảm thời
gian sản xuất và độ chính xác của mô hình có thể cho phép thực hiện kế
hoạch bố trí các thành phần và cáp. Nếu quá trình phân tích được đưa ra sớm
ở phần thiết kế thì khi bố trí sẽ thuận tiện hơn, linh hoạt hơn, thay đổi để cải
thiện khả năng miễn nhiễm được tốt hơn mà không làm tăng chi phí. Quá
trình mô phỏng và kiểm tra sớm hơn cũng làm giảm đáng kể thời gian để
kiểm tra sản phẩm cuối cùng. Mô hình cũng được sử dụng để nghiên cứu sự
mắc nối giữa các nguồn bên ngoài và bên trong. Ảnh hưởng của các máy phát
vô tuyến xách tay, cả các máy thu chủ động và bị động (ví dụ: điện thoại di
động, CD player, GPS…) có thể là những nguồn đáng kể ở bên ngoài hệ
thống.
1.4.3 Các thách thức của mô hình TTĐT
Thách thức đối với mô hình tương thích điện từ là làm sao để bản thân
TTĐT được tự nhiên, đây thực sự là một nhiệm vụ khó khăn. Vì mô hình
TTĐT rất phức tạp nên nó đòi hỏi cần phải xác định các thông số có liên quan
đến mô hình. Không giống như phân tích mạch điện, mô hình TTĐT cho
những quy tắc được định ra để thiết kế và phát triển sản phẩm. Mô hình phải
được thực hiện xong trước khi thực hiện các công việc phức tạp như in mạch
và các thiết bị ở mức thành phần. Những thiết bị này gọn nhẹ hơn và dễ định
nghĩa hơn các hệ thống lớn.

Các thách thức của mô hình:


Để hiểu được chính xác tính chất vật lý của mạch điện và các hệ thống
thì cần phải triển khai các công cụ số học chính xác nhằm định nghĩa các
đường kết nối năng lượng sao cho:
- Hiểu được các đường dẫn.
- Xác định số lượng đường dẫn.
- Nhận dạng các một cách chính xác để tối thiểu hóa sự can nhiễu.
Về bố trí mạch in, có thể thấy rằng việc nhận dạng các thiết kế mạch và
bố trí mạch rất quan trọng, bởi các lý do sau:
- Phải hiểu được các đặc tính can nhiễu của các đường mạch in và việc
ghép nối phù hợp.
- Cần phải định nghĩa các phần tử, chẳng hạn như nhiễu bus công suất có
thể ảnh hưởng đến các vấn đề RI.
- Yêu cầu phải hiểu rõ và định nghĩa được các thông số của các thành
phần bị động.
- Cần phải định nghĩa các cấu trúc thành phần cũng như hệ thống khác
mà hoạt động của nó có thể bị ảnh hưởng bởi các nguồn năng lượng ngoài.
Ngoài ra, một thách thức nữa đối với mô hình TTĐT là các loại dây dẫn
và cáp được sử dụng, chúng phải được bọc như thế nào và cấu trúc của chúng
ra sao. Cấu trúc của các thành phần cũng như hệ thống, chẳng hạn như các
khung hay vỏ máy cũng đóng vai trò như các nguồn năng lượng dẫn. Những
vấn đề này cũng sẽ được xem xét trong mô hình và nó thật sự là một nhiệm
vụ phức tạp.
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Tóm lại với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học công nghệ như
hiện nay cùng với việc ứng dụng những thành tựu này trong việc thiết kế và
chế tạo các thiết bị điện, điện tử đã và đang đặt ra những khó khăn và thách
thức lớn về mặt TTĐT giữa các hệ thống với nhau cũng như bản thân bên

trong các hệ thống đó.


Hầu hết các sản phẩm đều có những giới hạn về môi trường hoặc các đặc
tính kỹ thuật an toàn. Các yêu cầu này phần nào nhằm tạo ra sự chắc chắn
trong quá trình sử dụng sản phẩm. TTĐT là một lĩnh vực rất quan trọng, nó
ngày càng trở nên phức tạp hơn. Do đó khi thiết kế một sản phẩm bất kỳ nào
đó, các nhà thiết kế luôn luôn đề cập đến vấn đề TTĐT.
Làm thế nào để các hệ thống trên đạt được hiệu suất cao nhất nhưng mức
độ ảnh hưởng của nó đến các thiết bị, hệ thống khác là thấp nhất. Vì vậy việc
tìm hiểu nó để áp dụng vào thực tế là hết sức cần thiết. Sau khi tìm hiểu tổng
quan về TTĐT để áp dụng cho việc thiết kế các thiết bị điện tử đảm bảo hoạt
động tốt trong môi trường và không gây nhiễu đến các thiết bị và môi trường
xung quanh thì trong chương sau luận văn sẽ trình bày về lý thuyết cơ bản của
anten nhằm phục vụ cho vấn đề tính toán thiết và mô phỏng các thiết bị anten
hoạt động phù hợp mục đích sử dụng và đảm bảo tính tương thích điện từ.

CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT VỀ ANTEN
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến
truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến
điều khiển từ xa…
Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu
khác nhau. Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức
xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các
hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song, anten lại cần
bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng với hướng cực đại song song mặt
phẳng đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để
giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết.

Việc nghiên cứu lý thuyết cơ sở của kỹ thuật anten sẽ giúp chúng ta có
được các kiến thức cơ bản để thiết kế và phân tích hoạt động của anten.


Trong chương này luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung,
hoạt động và các thông số cơ bản của anten để từ đó đưa ra loại anten thích
hợp sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến.
2.2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN
2.2.1 Giới thiệu về anten
Thiết bị dùng để phát xạ 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 cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng
(guiding device). Xét trong một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm
máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và
anten phát cũng như máy thu với anten thu không kết nối trực tiếp với nhau
mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là dây
feeder.
Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần.
Dao động điện này sẽ được truyền đi theo dây feeder tới anten phát dưới dạng
sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng
buộc trong dây feeder thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo
của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói ở trên. Anten
thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do
từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng
này sẽ được truyền theo dây feeder đến máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và
dây feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất
cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu.
Phương trình tương đương của anten ở chế độ phát được biểu diễn trong
hình 2.1. Ở đó, anten được biểu diễn bởi một tải ZA,

Z A = ( RL + Rr ) + jX A

. Trở

kháng tải RL được sử dụng để biểu diễn suy hao điện môi và vật dẫn