Thiết kế và mô phỏng khảo sát các thông số kỹ thuật của anten vi dải

Trờng đại học vinh

khoa điện tử viễn thông
=== ===

đồ án

tốt nghiệp đại học
Đề tài:

thiết kế và mô phỏng khảo sát
các thông số kỹ thuật của anten vi dải

Ngi hng dõn :
Sinh viờn thc hiờn :
Lp
:
Mó s sinh viờn
:

ThS. lê thị kiều nga
lê văn vĩnh
49K - ĐTVT
0851080337

nghệ an - 01/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Văn Vĩnh
Ngành:
Điện tử - Viễn thông
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Kiều Nga
Cán bộ phản biện:
ThS. Cao Thành Nghĩa

Mã số sinh viên: 0851080337
Khoá: 49

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................

...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................4
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................................6
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ..............................................................................................7
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................9
CHƯƠNG I LÍ THUYẾT ANTEN........................................................................................1
1.1. Giới thiệu.........................................................................................................................1
1.2. Các loại Anten.................................................................................................................2
1.3. Các tham số cơ bản của anten.........................................................................................3
1.3.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten..........................................................................3
1.3.2. Giản đồ bức xạ.............................................................................................................4
1.3.3. Mật độ công suất bức xạ...............................................................................................7
1.3.4. Cường độ công suất bức xạ..........................................................................................8
1.3.5. Hệ số định hướng.........................................................................................................8
1.3.6. Hệ số tăng ích...............................................................................................................9
1.3.7. Băng thông.................................................................................................................11
1.3.8. Trở kháng vào.............................................................................................................12
CHƯƠNG II ANTEN VI DẢI VÀ GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN VI DẢI...........13
2.1. Anten vi dải...................................................................................................................13
2.1.1. Giới thiệu chung về anten vi dải.................................................................................13

2.1.2. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải.......................................................................15
2.1.3. Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA).................................................................16
2.1.4. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method)............................................18
2.1.5. Băng thông của MSA.................................................................................................21
2.1.6. Nguyên lý bức xạ của anten vi dải.............................................................................22
2.1.7. Trường bức xạ của anten vi dải..................................................................................24
2.1.8. Sự phân cực sóng........................................................................................................28
2.1.9. Mô hình hốc cộng hưởng...........................................................................................29
2.1.10. Các công thức tính toán các kích thước của anten vi dải hình chữ nhật thông thường
..............................................................................................................................................37
2.2. Thu nhỏ kích thước anten vi dải....................................................................................38
2.2.1. Phương pháp Shorting-wall........................................................................................39
2.2.2. Phương pháp Shorting-pin.........................................................................................40
2.3. Thiết kế và kết quả mô phỏng.......................................................................................41
2.3.1. Thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật thông thường................................41
2.3.3. Thiết kế và kết quả mô phỏng anten vi dải giảm nhỏ kích thước dùng shorting-pin. 49
CHƯƠNG III ANTEN VI DẢI HOẠT ĐỘNG Ở CÁC DẢI TẦN KHÁC NHAU............54
3.1. Giới thiệu chung............................................................................................................54
3.2. Anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng các mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác
nhau......................................................................................................................................55
3.3. Anten vi dải hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng mặt bức xạ cùng với khe nhúng hình
chữ U....................................................................................................................................56
3.4. Thiết kế và kết quả mô phỏng.......................................................................................57
3.4.1. Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng các mặt bức xạ có tần
số cộng hưởng khác nhau.....................................................................................................57
3.4.2. Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng khe nhúng hình chữ
U...........................................................................................................................................60
KẾT LUẬN..........................................................................................................................64

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................65

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng
động âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát
triển, nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó
là nhanh, chính xác và xa trong khi đó nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thì
không thể đáp ứng được vì khả năng hạn chế và sự rủi ro. Chính từ nhu cầu đó đã
thôi thúc con người phải tìm ra cách thức liên lạc mới và đến năm 1837 Samuel
Morse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện
gây nên tiếng. Với phát minh này nó đã làm giảm đi nhiều độ rủi ro của thông tin
tuy nhiên nó vẫn bị hạn chế bởi khoảng cách xa và cho đến năm 1894 Maxwell đã
đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả
trong chân không đó là sóng điện từ thì thông tin đã có thể khắc phục được hạn chế
bởi khoảng cách địa lý. Điều này được thực tế hoá bởi Maconi, ông đã thành công
trong việc truyền tín hiệu Morse bằng sóng vô tuyến qua Đại Tây Dương vào năm
1902. Sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho
nhiều ứng dụng trong viễn thông sau này.
Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của anten
một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu. Anten cũng đã xuất hiện từ lâu
có thể nói nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới. Anten dần trở
nên phổ biến từ khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc ti vi đèn
hình tất cả đều sử dụng đến nó. Lúc đó anten có cấu tạo rất đơn giản chỉ là những
chiếc anten đơn cực sau dần là hệ thống anten được ứng dụng rất nhiều và phổ biến.
Đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di
động thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để
đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại
anten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấu
trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải hiện nay đang được sử
dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng. Chính vì vậy em

4


chọn đề tài: “Thiết kế và mô phỏng khảo sát các thông số kĩ thuật của anten vi dải”
để làm đồ án tốt nghiệp.
Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang
nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi
những sai sót. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc
để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin gửi đến cô Lê Thị Kiều Nga lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn
sâu sắc về sự hướng dẫn nhiệt tình của cô trong suốt quá trình em làm đồ án tốt
nghiệp. Cô đã rèn luyện cho em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê vào khoa học
kĩ thuật. Tất cả những điều này là hành trang quan trọng cho em tiếp tục trên con
đường khoa học kĩ thuật sau này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn
Thông, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Viễn Thông đã hết lòng dạy dỗ và
truyền đạt những kiến thức quý báu trong quá trình học để trang bị một nền tảng
kiến thức vững chắc để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp và sẵn sàng cho công việc
tương lai.
Và cuối cùng em xin cảm ơn những người bạn trong nhóm đã có những giúp
đỡ, chia sẻ, thảo luận, động viên trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Nghệ An, tháng 01 năm 2013
Sinh viên
Lê Văn Vĩnh

5


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này tập trung nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng một anten vi dải, rút gọn
kích thước của anten vi dải và anten vi dải hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau.
Anten được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi εr = 4.5, độ dày là 1,66 mm
và được thiết kế tại tần số 900 MHz và 1800 MHz.
Đồ án bao gồm 3 chương với nội dung như sau:
Chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten, nêu ra một số tham số cơ bản để
đánh giá hiệu suất của anten như: giản đồ bức xạ, công suất bức xạ, hệ số định
hướng, hệ số tăng ích, phân cực, trở kháng vào, …
Chương 2 giới thiệu về anten vi dải và các thiết kế, mô phỏng anten vi dải,
thu nhỏ kích thước của anten vi dải dùng shorting-wall và shorting-pin.
Chương 3 giới thiệu về hai phương pháp thiết kế anten vi dải hoạt động ở
nhiều dải tần bằng cách dùng nhiều mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác nhau và
dùng khe nhúng hình chữ U.
ABSTRACT
This thesis focused on studied, design, simulation an microstrip antenna,
compact microstrip antenna and multiband antenna. Antenna was fabricated on a
substrate with dielectric constant εr = 4.5, thickness of 1.66 mm and was designed
at the frequency of 900 MHz and 1800 MHz.
Thesis include 3 chap with the following contents:
Chapter 1 introduces and defines the antenna, yets some basic parameters to
evaluate the performance of the antenna such as: radiation diagram, radiation
power, the orientation coefficient, coefficient of gain, polarization, or resistant, ...
Chapter 2 introduces the microstrip antenna and the design, simulation
microstrip antenna, miniaturization of microstrip antenna using shorting-wall and
shorting-pin.

6


Chapter 3 introduces the two methods of micro-strip antenna design operates

in several frequency bands by using the radiation many different resonant frequency
and use the U-shaped slot embedded

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Anten như một thiết bị truyền sóng........................................................................1
Hình 1.2. Các trường bức xạ tại khu xa..................................................................................3
Hình 1.3 Hệ tọa độ phân tích của anten.................................................................................4
Hình 1.4 Bức xạ đẳng hướng..................................................................................................5
Hình 1.5 Bức xạ hướng tính...................................................................................................5
Hình 1.6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều..................................................................6
Hình 1.7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều...................................................................6
Hình 2.1 Anten vi dải...........................................................................................................14
Hình 2.2 Các dạng anten vi dải thông dụng.........................................................................15
Hình 2.3 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải....................................................................19
Hình 2.4 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục..............................................................................19
Hình 2.5 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled................................20
Hình 2.6 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled.............................20
Hình 2.7. Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật........................23
Hình 2.8 Phân bố điện tích và dòng điện.............................................................................30
Hình 2.9 Phân tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ.....................................................32
Hình 2.10 Các mode trường bức xạ anten vi dải..................................................................34
Hình 2.11 Các thông số cơ bản của anten vi dải..................................................................37
Hình 2.12 Cấu trúc anten vi dải thông thường.....................................................................39
Hình 2.13 Anten vi dải hình chữ nhật cùng với kĩ thuật shorting-wall................................40
Hình 2.14 Cấu trúc một phần tư bước sóng.........................................................................40
Hình 2.15 Cấu trúc anten vi dải hình chữ nhật dùng kĩ thuật shorting-pin..........................40
Hình 2.16 Anten vi dải hình chữ nhật cùng với kĩ thuật shorting-pin..................................41
Hình 2.17 Cấu trúc nhỏ hơn một phần tư bước sóng...........................................................41
Hình 2.18 Mô phỏng HFSS anten vi dải tiếp điện bằng cáp đồng trục................................43

Hình 2.19 Hệ số tổn hao ứng với các vị trí tiếp điện khác nhau..........................................44
Hình 2.20 Tần số cộng hưởng của anten vi dải....................................................................44
Hình 2.21 Hệ số sóng đứng của anten..................................................................................45
Hình 2.22 Trở kháng vào của anten.....................................................................................46
Hình 2.23 Độ lợi của anten...................................................................................................46
Hình 2.24 Anten vi dải thu gọn sử dụng shorting-wall........................................................47
Hình 2.25 Tần số cộng hưởng của anten vi dải thu gọn sử dụng shorting-wall...................47
Hình 2.26 Hệ số sóng đứng của anten vi dải rút gọn dùng shorting-wall............................48
Hình 2.27 Trở kháng vào của anten sử dụng shorting-wall.................................................49
Hình 2.28 Anten vi dải giảm nhỏ kích thước sử dụng shorting-pin.....................................50
Hình 2.29 Tần số cộng hưởng của các anten có vị trí pin khác nhau...................................50
Hình 2.30 Tần số cộng hưởng của anten sử dụng shorting-pin............................................51
Hình 2.31 Hệ số sóng đứng của anten sử dụng shorting-pin................................................52
Hình 2.32 Trở kháng vào của anten sử dụng shorting pin...................................................52
Hình 2.33 Độ lợi của anten vi dải sử dụng shorting-pin......................................................52
Hình 3.1 Mặt bức xạ của anten inverted-F phẳng hoạt động ở hai tần số 900MHz và
1800MHz..............................................................................................................................55

7


Hình 3.2 Anten vi dải hoạt động ở ba tần số 900MHz, 1800MHz, 2450 MHz...................56
Hình 3.3 Mặt bức xạ của anten hoạt động ở hai băng tần với khe nhúng hình chữ U.........57
Hình 3.4 Anten vi dải hoạt động ở hai dải tần 900 MHz và 1800 Mhz...............................58
Hình 3.5 Tần số cộng hưởng của anten hoạt động ở hai băng tần 900Mhz và 1800 Mhz...58
Hình 3.6 Hệ số sóng đứng của anten hoạt động ở hai dải tần 900MHz và 1800MHz.........59
Hình 3.7 Trở kháng vào của anten.......................................................................................60
Hình 3.8 Độ lợi của anten sử dụng các mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác nhau.........60
Hình 3.9 Mô phỏng HFSS anten vi dải sử dụng khe nhúng hình chữ U..............................61
Hình 3.10 Tần số cộng hưởng của anten sử dụng khe nhúng hình chữ U...........................61

Hình 3.11 Hệ số sóng đứng của anten sử dụng khe nhúng hình chữ U...............................62
Hình 3.12 Trở kháng vào của anten sử dụng khe nhúng hình chữ U...................................62

8


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DBS

Direct Broadcast Satellites

Phát sóng vệ tinh trực tiếp

DCS

Digital Communication

Hệ thống thông tin kỹ thuật

System

số

Global Positioning System

Hệ thống định vị vệ tinh

Satellite

toàn cầu

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động

Communication

toàn cầu

Industrial Scientific and

Công nghiệp khoa học và y

Medical

tế

LMR

Land Mobile Radio

Vô tuyến lưu động mặt đất

MSA

Microstrip Antenna

Anten vi dải

MTA

Microstrip Traveling-Wave Antenna Anten sóng chạy vi dải

PCS

Personal Communication

Hệ thống thông tin liên lạc

System

cá nhân

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

UMTS

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn

Telecommunications Systems

cầu

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

GPS
GSM
ISM

WLAN

9


CHƯƠNG I
LÍ THUYẾT ANTEN
Tóm tắt
Chương này trình bày các vấn đề sau:
Giới thiệu chung về anten
Trình bày các loại anten
Các tham số cơ bản của anten
1.1. Giới thiệu
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (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), như thể
hiện trong hình 1.1. 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 với nhau qua đường
truyền năng lượng điện từ, gọi là feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ
tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder tới anten
phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện
từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc.

Sóng này được truyền theo feeder tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và 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.

Hình 1.1. Anten như một thiết bị truyền sóng
1


Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thống
không dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo một
vài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác. Do đó, anten cũng cần phải có
vai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính. Hơn nữa, anten cũng phải có các hình
dạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể.
Anten là một lĩnh vực sôi động. Công nghệ anten đã là một phần không thể
thiếu trong các giải pháp truyền thông. Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thời
gian cách đây hơn 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay; tuy nhiên ngày nay vẫn có
nhiều kết quả mới và những thay đổi đã được đưa ra, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất
hệ thống ngày càng lớn hơn.
1.2. Các loại Anten
Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô
tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau. Chúng bao gồm :
Anten dây là anten lâu đời nhất và phổ biến nhất trong tất cả các loại anten.
Hiện có hình dạng khác nhau của ăng-ten dây như một sợi dây thẳng (lưỡng cực),
vòng lặp và xoắn.
Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng tần viba. Trong thực tế khe bức xạ có
dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình tròn (khe hình vành khăn) và được cắt trên các
mặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau : trên thành hốc cộng hưởng,
thành ống dẫn sóng hình chữ nhật hoặc hình tròn, trên các tấm kim loại phẳng, cánh
máy bay…kích thước của mặt kim loại có thể khá lớn so với bước sóng nhưng cũng
có thể chỉ vào khoảng vài bước sóng công tác.

Anten phản sóng là anten có cấu trúc phức tạp được sử dụng để truyền trên
khoảng cách rất xa. Chúng có kích thước lớn để đạt được độ lợi cao cần thiết khi
truyền tải hoặc nhận tín hiệu sau khi truyền đi hàng triệu dặm.
Anten parabol với độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong
truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh.
Đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động
thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp
ứng nhu cầu của người sử dụng.

2


1.3. Các tham số cơ bản của anten
Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự
bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ
định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, …
1.3.1. 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 trình này lặp
đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần 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 trường.
Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), 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 phần là điện trường và từ trường (hình
1.2). Tại khu xa, chỉ có bức xạ được duy trì. Trường khu xa gồm 2 thành phần là
điện trường và từ trường (xem hình 1.2)

Hình 1.2. Các trường bức xạ tại khu xa
Hai thành phần 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 trải trên một diện tích tăng
3


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.
1.3.2. 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.
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hướng là một anten giả định, nó chuyển toàn bộ công suất đầu
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.
4


Hình 1.4 Bức xạ đẳng hướng

Hình 1.5 Bức xạ hướng tính
Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính
của anten. Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và
hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từ
trường và hướng bức xạ cực đại. Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao
cho mặt phẳng 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

5


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).

Hình 1.6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều
Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại, trong hình 1.4 thùy chính có
hướng θ = 0. 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 cầu theo hướng của thùy chính. Thùy sau là thùy mà
trục của nó tạo một góc xấp xỉ

so với thùy chính và thường định xứ ở bán cầu

ngược với thùy chính.

Hình 1.7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều
6


1.3.3. 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×H

(1.1)

W = vector Poying tức thời (W/

)

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 phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín.
r

∫∫ W × ds = ∫∫ W × n × da
s

(1.2)

s

P = tổng công suất tức thời (W).

r
n = vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt.

da = vi phân diện tích của bề mặt (

).

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

, 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 :
E ( x, y , z ) = Re[ E ( x, y, z )e iωt ] =

1

Re[ Ee jωt + E * e − jωt ]
2

H ( x, y , z ) = Re[ H ( x, y , z )e iωt ] =

1
Re[ He jωt + H * e − jωt ]
2

(1.3)
(1.4)

Khi đó có thể viết lại :
W = E×H =

1
1
Re[ EH *] + Re[ EHe j 2ωt ]
2
2

(1.5)

Thành phần đầu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ
hai biến đổi theo thời gian với tần số bằng 2 lần tần số

cho trước.Vector Poying

trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viết lại :
Wav ( x, y, z ) = [W ( x, y, z; t )]av =

1
Re[ EH *]
2

7

(1.6)


Dựa trên công thức trên ,công suất phát xạ trung bình của anten có thể được
định nghĩa là :
r
1
Prad = Pav = ∫∫ Wrad × ds = ∫∫ Wav × n × da = ∫∫ Re( E * H ) ds
s
s
2 s

(1.7)

1.3.4. 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 :
U = r 2 × Wrad

(1.8)

Trong đó U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).
là mật độ công suất bức xạ (W/

).

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :
Prad = Ò
∫∫ Ud Ω = ∫

2π

0

d Ω = sin θ dϕ dθ

∫

π

0

sin θ dϕ dθ

(1.9)

là đơn vị góc khối (steradian).

1.3.5. 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. Nếu

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 (

).
U 4π U
=
U0
Prad
P
U 0 = rad
4π
D=

(1.10)

Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau :
Dmax = D0 =

Trong đó :

U max 4π U max
=
U0
Prad

D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên).
U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).
là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng .

8

(1.11)


là tổng công suất bức xạ (W).
Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức:
D=

với

32.400
θ1θ 2

(1.12)

là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính.
Với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ số định

hướng riêng (partial directivity), theo một phân cực cho trước và một hướng cho
trước, là tỉ lệ của cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho
tổng cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng. Với định nghĩa này, thì theo
một hướng cho trước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng
riêng”. Trong hệ tọa độ cầu, hướng tính cực đại D 0 với các thành phần tọa độ θ và φ
của anten có thể được viết là:
D0 = Dθ + Dφ

(1.13)

Trong đó hệ số định hướng riêng Dθ và Dϕ được biểu diễn bởi :
Dθ =

Dφ =

4π Uθ
( Prad )θ + ( Prad )φ

(1.13a)

4π Uφ

(1.13b)

( Prad )θ + ( Prad )φ

Với Uθ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc θ
Uφ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc φ
là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào θ
là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào φ
1.3.6. Hệ số tăng ích
Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng
ích G (hay còn gọi là độ lợi). 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
9

(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.
(1.14)

Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chia
cho 4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằng
công suất đặt vào anten). Do đó, ta có:
G = 4π

U (θ , φ )
(không thứ nguyên)
Pin

(1.15)

Tổng công suất bức xạ (Prad) có quan hệ với tổng công suất đặt vào anten (Pin) bởi:
Prad = ecd.Pin

(1.16)

Ở đó, ecd là hiệu suất bức xạ của anten (không thứ nguyên). Sử dụng (1.16) biến
đổi (1.15) thành:
G (θ , φ ) = ecd [4π

U (θ , φ )
]
Prad

(1.17)

Sử dụng công thức (1.10) ta có :
G(θ,φ) = ecdD(θ,φ)

(1.18)

Giá trị cực đại của hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng cực đại bởi:
G0 = G(θ,φ)|max = ecdD(θ,φ)|max =ecdD0

(1.19)

Cũng như đối với hệ số định hướng, ta định nghĩa hệ số tăng ích riêng (partial
gain) của anten theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước như sau:
“phần cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường
độ bức xạ khi anten bức xạ đẳng hướng”. Với định nghĩa này, thì theo một hướng
cho trước “tổng hệ số tăng ích là tổng của các hệ số tăng ích riêng”. Trong hệ tọa độ
cầu, hệ số tăng ích cực đại G0 theo các thành phần trực giao θ và φ của anten có thể
được viết như sau, theo dạng tương tự như hệ số định hướng cực đại trong (1.13a)
và (1.13b):
G0 = G φ + G θ

(1.20)

Trong khi các hệ số tăng ích riêng Gφ và Gθ được biểu diễn bởi :

10


Gθ =

(1.20a)

Gφ =

(1.20b)

Trong đó : Pin là tổng công suất đưa vào anten.
Uθ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường Eθ
Uφ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường Eφ
Thường thì hệ số tăng ích được biểu diễn theo khái niệm dB thay vì không có thứ
nguyên như trong công thức (1.19). Công thức tương ứng được cho bởi:
G0(dB) = 10log10(ecdD0)

(1.21)

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, η, cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất
đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào.
1.3.7. 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 tần số, về hai bên của
tần số trung tâm (thường là tần 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 rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số
trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được. Ví
dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới.
BW =

(1.22)

Với các anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai
khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới) so với tần số trung tâm. Ví dụ, băng
thông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông.
11


BW =

(1.23)

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 tần số nên có nhiều định
nghĩa băng thông khác nhau. Tùy các ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của
anten được chọn như thế nào cho phù hợp.
1.3.8. Trở kháng vào
Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “trở kháng của anten tại điểm đầu vào của
nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng
của điện trường so với từ trường ở một điểm”. Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếu
tới trở kháng vào tại đầu vào của anten. Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào này, không
có tải, xác định trở kháng của anten như sau:
ZA = RA + jXA

(1.24)

Trong đó, ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm).
RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm).
XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm).
Nói chung, thành phần điện trở trong (1.24) bao gồm 2 thành phần là:

RA = Rr + RL

(1.25)

Trong đó, Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten.
RL trở kháng mất mát (loss resistance) của anten.
Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số. Do đó, anten chỉ
được phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó. Thêm
nữa, trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng của anten,
phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng bao quanh nó.
Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên
cứu và phân tích tỉ mỉ. Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng
thực nghiệm.
1.4. Kết luận chương 1
Như vậy, chương 1 đã trình bày tổng quan về anten, các loại anten, và các
tham số cơ bản của anten như: hệ số định hướng, hệ số tăng ích, băng thông, trở
kháng vào… Trong chương tiếp theo, đồ án sẽ trình bày tổng quan về anten vi dải,
12


loại anten được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thông tin động hiện nay và các
kĩ thuật thu nhỏ kích thước của anten vi dải.

CHƯƠNG II
ANTEN VI DẢI VÀ GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN VI DẢI
Chương này trình bày về anten vi dải và các kĩ thuật giảm nhỏ kích thước của
anten vi dải

2.1. Anten vi dải
2.1.1. Giới thiệu chung về anten vi dải

Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm
1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế
tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson và
được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại rất mỏng (bề dày t <<
λ0, λ0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất
nhỏ (h << λ0, thường thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0). Patch của anten vi dải được thiết kế
để có đồ thị bức xạ cực đại. Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng
mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch. Bức xạ end-fire cũng
có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động. Đối với một patch
hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng λ 0/3 < L< λ0/2. Patch
và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền như hình 2.1.

13


Hình 2.1 Anten vi dải
Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số
điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2 < εr < 10. Những lớp điện môi
được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của
chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông
lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích
thước các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không
gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện môi lớn
hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới
hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng
thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn. Tuy nhiên vì sự mất mát lớn hơn,
dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn.
Các thông số kỹ thuật của anten:
- Tần số làm việc của anten là tần số cộng hưởng của anten. Anten luôn làm

việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớn nhất.
- Hệ số định hướng của anten theo hướng nào đó được định nghĩa bằng tỷ
số cường độ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độ trường bức xạ
của một anten chuẩn cũng ở vị trí và hướng tương ứng (D). Hệ số tăng ích (Độ lợi

14


- G) của anten được xác định theo công thức: G=e.D, trong đó e là hiệu suất bức
xạ của anten.
- Trở kháng vào của anten:
Khi kết nối anten với đường truyền năng lượng cao tần cần chú ý tới điều kiện
phối hợp trở kháng, Thông thường trở kháng đặc tính của đường truyền là R0, để
phối hợp trở kháng thì phải thỏa mãn điều kiện: ZA=R0.
- Hệ số tổn hao RL (dB), đánh giá mức độ phản xạ của sóng tại điểm kết nối
anten với đường truyền năng lượng cao tần. Hệ số tổn hao được tính qua hệ số phản
xạ theo công thức sau:
dB
- Hệ số sóng đứng SWR, đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng giữa
anten và đường truyền năng lượng cao tần.
SWR =

1+ | Γ |
1− | Γ |

2.1.2. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác.
Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square),
hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt
(sectoral), hình vành khuyên (annular ring).

Hình 2.2 Các dạng anten vi dải thông dụng
15


Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi
dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải.
• Anten patch vi dải
Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng
hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên
mặt phẳng còn lại của đế. Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc
tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một
dipole. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn
là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi.
• Dipole vi dải
Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ
khác nhau tỷ số L/W. Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng
trong không gian tự do. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống
nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân
cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau. Anten dipole vi dải thì thích
hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày
tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể. Việc lựa chọn mô hình
cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải.
• Printed Slot Antenna
Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của một
đế được nối đất (ground substrate). Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau
như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến,.. Anten loại này bức xạ theo hai hướng
nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướng
bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe.
• Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)

MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạn
đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE. Trong đó,
đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện
tượng sóng đứng trên anten. Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng
chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire.
2.1.3. Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)
16