Nghiên cứu về lý thuyết anten, hệ thống RFID và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống này

Khoá luận tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Minh Tuấn, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ
bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo GS.TSKH Phan Anh, thầy đã cho em những
ý kiến quý báu để em hoàn thành khoá luận của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử - Viễn
Thông, các thầy cô trong trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, những
người đã luôn nhiệt tình trong giảng dạy và chỉ bảo chúng em trong bốn năm học vừa
qua.
Và em cũng xin cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong Bộ môn Thông tin vô tuyến đã
tạo điều kiện tốt nhất cho em và các bạn hoàn thành khóa luận của mình.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và các bạn của tôi, những người đã luôn ở bên
cạnh động viên, giúp đỡ tôi trong những năm học vừa qua và nhất là trong thời gian
thực hiện khóa luận này.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình viết bài vì thời gian có hạn và
kiến thức thực tế của em còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất
mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô giáo để bài viết của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008
Sinh viên
Dương Đình Sáng
TÓM TẮT NỘI DUNG
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với
công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, anten đã có những
thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối đa
nhu cầu của người sử dụng.
Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, hệ
thống RFID (Radio Frequency Identification), em đã nghiên cứu và thiết kế được một

anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID, hoạt động ở dải tần
2.45GHz. Quá trình mô phỏng có sự trợ giúp của phần mềm Ansoft Designer.
Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức hạn chế nên khoá luận chắc
chắn còn rất nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô để hoàn
thiện hơn bào viết của mình.
Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008
Sinh viên
Dương Đình Sáng
MỤC LỤC
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN
MẠCH DẢI...............................................................................................................2
1.1 Một số kiến thức cơ bản về anten.......................................................................2
1.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten.............................................................2
1.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten................................................................................2
1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten........................................................................3
1.1.3.1 Trường bức xạ...............................................................................................3
1.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ........................................................4
1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ............................................................9
1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích..............................................................10
1.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten..............................................................................12
1.2 Đường truyền vi dải và anten mạch dải ............................................................13
1.2.1 Đường truyền vi dải............................................................................................13
1.2.1.1 Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải...................................................13

1.2.1.2 Các tham số cơ bản........................................................................................14
1.2.1.3 Trở kháng đặc tính biến thiên của theo tần số ..............................................17
1.2.2 Anten mạch dải....................................................................................................17
1.2.2.1 Khái niệm......................................................................................................17
1.2.2.2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản...........................................................................17
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG RFID.............................................................................21
2.1 Hệ thống RFID.....................................................................................................
2.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID)..................................21
2.1.1.1 Hệ thống mã vạch..........................................................................................21
2.1.1.2 Hệ thống nhận dạng sinh học........................................................................22
2.1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh.............................................................22
2.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID..............................................................................23
2.1.3 Cấu tạo chung của hệ thống RFID......................................................................24
2.1.3.1 Tag / thẻ.........................................................................................................24
2.1.3.2 Đầu đọc (Reader)..........................................................................................25
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
2.1.3.3 Middleware....................................................................................................25
2.1.4 Phân loại hệ thống RFID.....................................................................................25
2.1.4.1 RFID trường gần...........................................................................................26
2.1.4.2 RFID trường xa.............................................................................................26
2.1.5 Các tần số, quy định được sử dụng trong hệ thống RFID...................................27
2.1.6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống RFID..........................................................29
2.1.6.1 Ưu điểm.........................................................................................................29
2.1.6.2 Nhược điểm...................................................................................................30
2.1.7 Ứng dụng và xu hướng phát triển của RFID.......................................................30
2.1.7.1 Ứng dụng.......................................................................................................30
2.1.7.2 Xu hướng phát triển.......................................................................................32
2.2 Anten trong hệ thống RFID...................................................................................35
2.2.1 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................35

2.2.1.1 Trường gần....................................................................................................35
2.2.1.2 Trường xa......................................................................................................36
2.2.2 Các loại anten dùng trong hệ thống RFID..........................................................37
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ANTEN CHO THẺ RFID TRƯỜNG XA................39
3.1 Đường Radio............................................................................................................41
3.2 EIRP và ERP.............................................................................................................43
3.3 Độ tăng ích của anten thẻ..........................................................................................44
3.4 Hệ số phối hợp phân cực...........................................................................................44
3.5 Hệ số truyền công suất..............................................................................................44
3.6 RCS của anten...........................................................................................................47
3.7 Tính toán khoảng đọc................................................................................................50
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ ANTEN..............................................52
4.1 Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần
2.45GHz dung cho hệ thống RFID............................................................................52
4.2 Đo đạc thực nghiệm..................................................................................................60
4.3 Nhận xét- đánh giá....................................................................................................64
KẾT LUẬN.....................................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................67
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power
ERP: Effective Radiated Power
FR-4: Flame Resistant 4
HF: High Frequency
HFSS: High Frequency Structure Simulator
ISM: Industrial Scientific and Medical radio band
LF: Low Frequency
MWF: Microwave Frequency
RCS: Radar Cross Section

RFID: Radio Frequency Identification
UHF: Ultra High Frequency
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan.
Bảng 2: Giới hạn về công suất và tần số trong các hệ thống RFID tại một số các
quốc gia khác nhau.
Bảng3 : Số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước từ năm 1991 đến
tháng 8 năm 2006.
Bảng 4 Hệ số phản xạ và hệ số truyền công suất là một hàm của tổn hao trả về.
Bảng 5: Hệ số K trong một vài trường hợp điện trở tải của anten khác nhau
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1: Cấu trúc chung của hệ thống anten
Hình 2: Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ
ϕθ
,
Hình 3: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực
Hình 4: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc
Hình 5: Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường
truyền sóng
Hình 6: Đường truyền vi dải
Hình 7: Phân bố trường của đường truyền vi dải
Hình 8: Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac
Hình 9: Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng của đường truyền vi
dải được tính theo phương pháp của Wheeler
Hình 10: Anten mạch dải
Hình 11: Anten mạch dải nhìn từ mặt bên
Hình 12: Khe bức xạ Anten mạch dải
Hình 13: Các dạng anten mạch dải điển hình

Hình 14: Tiếp điện cho anten mạch dải
Hình 15: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động
Hình 16: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng trong công ty
Hình 17 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID
Hình 18: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID
Hình 19: Các phương pháp xử lý dữ liệu
Hình 20: Ứng dụng RFID điển hình
Hình 21 : Biểu đồ tăng trưởng số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước
từ năm 1981 đến tháng 8 năm 2006
Hình 22: Biểu đồ phân bố số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước tính
đến tháng 8 năm 2006
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
Hình 23: Truyền công suất và thông tin giữa thẻ và đầu đọc trong hệ thống
RFID ghép cảm ứng.
Hình 24: Cơ chế cấp nguồn và giao tiếp trong hệ thống RFID trường xa
Hình 25: Các loại anten dùng trong hệ thống
Hình 26: Nguyên lý hoạt giữa đầu đọc và thẻ trong một hệ thống RFID thụ
động trường xa
Hình 27: Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống
RFID trường xa
Hình 28: Công suất truyền trong thẻ RFID và mạch tương đương của nó
Hình 29: Quan hệ giữa hệ số truyền công suất với tổn hao trả về
Hình 30: Biểu đồ công suất bức xạ trở lại của một anten phối hợp lien hợp phức
được chuẩn hoá bởi công suất bức xạ trở lại của một anten tương tự
khi ngắn mạch bởi tỉ số giá trị tuyệt đối điện kháng chia cho điện trở
anten
Hình 31: Đo khoảng đọc trong một phòng không có tiếng vọng
Hình 32: Cấu trúc anten zíc zắc
Hình 33: Hình 3-D mô phỏng anten bằng phần mềm Ansoft HFSS

Hình 34: Phân bố trường E theo biên độ ở bề mặt anten
Hình 35: Bức xạ 3-D của anten
Hình 36: Giản đồ bức xạ của anten trong mặt phẳng
Hình 37: Hệ số khuyếch đại Gain của anten
Hình 38: Thông số tổn hao trả về_return loss
11
S
của anten
Hình 39: Hệ số sóng đứng và return loss của anten
Hình 40: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFS của anten zíc zắc
hình chữ nhật tiếp điện ở giữa
Hình 41: Thông số return loss
11
S
của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở
giữa
Hình 42: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
Hình 43: Hệ số khuyếch đại Gain của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở
giữa
Hình 44: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS của anten zíc zắc
hình tam giác tiếp điện ở giữa
Hình 45: Thông số return loss
11
S
của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở
giữa
Hình 46: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa
Hình 47: Hệ số khuyếch đại Gain của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở

giữa
Hình 48: Cấu trúc anten thực nghiệm
Hình 48: Thông số return loss của anten thực nghiệm
Hình50: Độ rộng băng thông
Hình 51: Hệ số sóng đứng và return loss của anten thực nghiệm
Hình 52: Đồ thị Smith của anten thực nghiệm
Hình 53: Thông số return loss mô phỏng và thực nghiệm
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Khoá luận tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động (Auto
Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rất nhiều các
lĩnh vực. Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tự động
sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio Frequency
Identification). Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ không
dây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt. Việc tìm hiểu,
nghiên cứu công nghệ này giúp chúng ta tiếp cận và tiến đến làm chủ công nghệ, từ đó
chúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế.
Nội dung của khoá luận tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten, hệ thống RFID
và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống này. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, khoá
luận đã thực hiện được những nội dung sau đây:
- Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten mạch dải
- Tìm hiểu hệ thống RFID
- Tìm hiểu, phân tích nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản của anten
dùng cho RFID (trường xa).
- Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải cấu trúc zíc zắc dùng cho RFID hoạt
động ở dải tần 2.45GHZ
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
1
Khoá luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN
MẠCH DẢI
1.1 Một số kiến thức cơ bản về anten
1.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten:
Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai
cách:
- Dùng các hệ truyền dẫn: Nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song
hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi v.v…Sóng điện từ
truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc.
- Bức xạ sóng ra không gian: Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do.
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài
được gọi là anten.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến
điện nào.
Trong thông tin không dây anten làm nhiệm vụ bức xạ và hấp thụ sóng điện từ. Nó
được sử dụng như một bộ chuyển đổi sóng điện từ từ các hệ truyền dẫn định hướng
sang môi trường không gian tự do.
Anten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau.
Với phát thanh - truyền hình làm nhiệm vụ quảng bá thông tin thì anten phát thực hiện
bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất
kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông
tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển thì yêu cầu anten phát bức xạ với hướng tính cao...
1.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten:
Một hệ truyền thông tin không dây đơn giản thường bao gồm các khối cơ bản:
máy phát – anten phát – anten thu – máy thu. Đường truyền dẫn sóng điện từ giữa máy
phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu được gọi là Fide (Feeder).
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực thông
tin, nhận dạng, rađa điều khiển v.v…cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm
vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong

Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
2
Khoá luận tốt nghiệp
trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống; trong
đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng, bao gồm các phần tử anten
(dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng
cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ
thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). Sơ đồ chung của hệ thống vô tuyến điện
cùng với thiết bị anten như sau:
1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten:
1.1.3.1 Trường bức xạ
Để khảo sát đặc tính trường của dòng, ta thường chia không gian khảo sát làm hai
khu vực chính: trường gần và trường xa.
Trường gần là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá nhỏ
so với bước sóng (r << λ). Thừa số pha của trường trong khu vực này là:
1
2
≈=
−
−
λ
π
r
i
ikr
ee
Khi đó có thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát so với nguồn, tương
tự như trường hợp trường chuẩn tĩnh.
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
Hệ thống

cung cấp
tín hiệu
Hệ thống
bức xạ
Hệ thống
cảm thụ
bức xạ
Hệ thống
gia công
tín hiệu
Thiết bị
điều chế
Thiết bị
xử lý tin Máy thu
Máy phát
Anten phát Anten thu
Hệ thống phát Hệ thống thu
Hình 1: Cấu trúc chung của hệ thống anten
3
Khoá luận tốt nghiệp
Năng lượng của trường gần có tính dao động. Năng lượng này trong một phần tư
chu kỳ đầu thì dịch chuyển từ nguồn trường ra không gian xung quanh và trong phần tư
chu kỳ tiếp theo lại dịch chuyển ngược trở lại, giống như sự trao đổi năng lượng trong
một mạch dao động. Vì vậy trường ở khu gần còn được gọi là trường cảm ứng, và khu
gần được gọi là khu cảm ứng.
Trường xa là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá lớn so
với bước sóng (r >> λ). Khi ấy ta không thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm
khảo sát. Điện trường và từ trường của khu xa luôn đồng pha nhau, do đó năng lượng
bức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào không gian xung quanh. Trường ở khu vực này
có đặc tính sóng lan truyền nên trường xa còn được gọi là khu sóng, hay khu bức xạ. Khi

khảo sát các bài toán bức xạ thì chúng ta thường chỉ quan tâm đến trường xa.
Ta có thể rút ra một số tính chất tổng quát của trường ở xa trong không gian tự do
của một hệ thống nguồn hỗn hợp như sau:
- Trường bức xạ có dạng sóng chạy, lan truyền từ nguồn ra xa vô tận. Biên độ
trường suy giảm tỷ lệ nghịch với khoảng cách.
- Vectơ điện tích và từ trường có hướng vuông góc với nhau và vuông góc với
hướng truyền lan. Sóng bức xạ thuộc loại sóng điện-từ ngang.
- Sự biến đổi của cường độ điện tích và từ trường trong không gian (khi R không
đổi) được xác định bởi tổ hợp các hàm bức xạ
),(G
e
ϕθ
và
),(G
m
ϕθ
. Các hàm số này
phụ thuộc vào phân bố dòng điện và dòng từ trong không gian của hệ thống bức xạ.
Trong trường hợp tổng quát chúng là các hàm phức số.
1.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ
a) Đồ thị phương hướng biên độ và pha
Gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướng
khảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi, là hàm phương hướng của hệ thống bức xạ
và kí hiệu là
),(
ϕθ
f
.
Trong trường hợp tổng quát, hàm phương hướng là hàm vectơ phức, bao gồm các
thành phần theo

θ
và
ϕ
:
ϕϕθθ
ϕθϕθϕθ
ififf ),(),(),(
+=
ϕ
θ
ϕϕθθ
fi
m
fi
m
efiefi
arg
arg
+=

Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
4
Khoá luận tốt nghiệp
Biên độ của các hàm phương hướng có quan hệ với phân bố biên độ của các thành
phần trường, còn argument có quan hệ với phân bố pha của trường trên một mặt cầu có
bán kính R, tâm đặt tại gốc tọa độ.
b) Hàm phương hướng biên độ
Nếu định nghĩa hàm phương hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối
của biên độ cường độ trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi R không đổi, thì nó
chính là biên độ của hàm phương hướng phức. Trong trường hợp tổng quát, biên độ của

hàm phương hướng có thể là các hàm có dấu biến đổi khi
ϕθ
,
thay đổi. Do đó hàm
phương hướng biên độ được định nghĩa cụ thể hơn là môđun của hàm phương hướng
phức. Như vậy, hàm phương hướng biên độ của trường tổng sẽ là:
),(),(
ϕθϕθ
m
ff
≡
(chỉ số m là kí hiệu biên độ của hàm bức xạ)
Giản đồ phương hướng của anten được định nghĩa là một đồ thị không gian biểu
thị sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường. Giản đồ phương hướng xét theo
phương diện hình học, là một mặt được vẽ bởi đầu mút của vectơ có độ dài bằng giá trị
của hàm phương hướng
( )
ϕθ
,f
ứng với các góc (θ,φ) khác nhau.
Có nhiều cách khác nhau để biểu thị đặc tính phương hướng không gian của
trường bức xạ, cụ thể là:
- Biểu diễn 3-D: Giản đồ phương hướng được thiết lập bằng cách lấy một mặt cầu
bao bọc nguồn bức xạ. Tâm của mặt cầu được chọn trùng với gốc của hệ tọa độ cầu.
Khi ấy, mỗi điểm cường độ trường đo được trên mặt cầu sẽ tương ứng với một cặp giá
trị nhất định của tọa độ góc (θ,φ).

Hình 2: Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ
ϕθ
,

Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
θ = 90
o
φ = 270
o
θ = 90
o
φ = 90
o
θ = 90
o
φ = 0
o
θ = 0
o
θ = 180
o
5
Khoá luận tốt nghiệp
- Biểu diễn 2-D trong mặt phẳng E và H: Ngoài cách biểu diễn 3-D như trên,
giản đồ phương hướng còn được biểu diễn bởi 2 đồ thị 2-D trong mặt phẳng E và mặt
phẳng H. Giản đồ phương hướng 3-D có thể được xây dựng từ hai giản đồ 2-D này. Để
có được giản đồ bức xạ 2-D, hệ anten được đo giản đồ phương hướng trong hai mặt
phẳng E và H của anten (mặt phẳng cắt). Mặt phẳng cắt thu được bằng cách giữ nguyên
một đại lượng θ hoặc ф và thay đổi đại lượng còn lại.
- Biểu diễn dưới dạng các đường đẳng mức: Giản đồ phương hướng còn có thể
biểu diễn bởi các đường cong đẳng mức của cường độ trường. Các đường cong này là
các đường khép kín. Cực đại của giản đồ phương hướng và của các múi phụ được biểu
thị bởi các dấu chấm trên mặt cầu. Khi đem chiếu phần mặt cầu có các đường đẳng trị
nói trên lên mặt phẳng ta sẽ nhận được giản đồ phương hướng của trường bức xạ.

Tuy nhiên, khi biểu diễn giản đồ phương hướng, cần phải chọn các mặt phẳng cắt
sao cho nó phản ánh được đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ:
- Khi giản đồ phương hướng có dạng tròn xoay thì có thể chọn mặt cắt là mặt
phẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị.
- Khi giản đồ phương hướng có dạng phức tạp hơn thì mặt cắt thường được chọn
là hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua hướng cực đại của giản đồ phương
hướng. Hướng trục của hệ tọa độ có thể chọn tùy ý nhưng thường được chọn sao cho
thích hợp với dạng của giản đồ phương hướng. Nếu giản đồ phương hướng có trục đối
xứng thì tốt nhất nên chọn trục đó làm trục tọa độ, còn không thì chọn hướng cực đại
của giản đồ phương hướng.
Giản đồ phương hướng 2-D có thể biểu diễn trong hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độ
vuông góc:
- Hệ toạ độ cực thường được sử dụng để vẽ giản đồ anten có độ định hướng không
cao. Định dạng này đặc biệt hữu dụng để quan sát phân bố công suất trong không gian.
- Hệ tọa độ vuông góc được sử dụng để biểu thị giản đồ phương hướng hẹp một
cách chi tiết. Trường hợp này biên độ tín hiệu nằm trên trục y và góc nghiêng nằm trên
trục x. Khi đó các giá trị của |f
θ
| hoặc |f
φ
| có thể được biểu thị theo thang tỉ lệ thông
thường hay theo thang logarit.
Để thuận tiện cho việc thiết lập và phân tích các giản đồ phương hướng, ta thường
dùng giản đồ phương hướng chuẩn hóa. Về mặt toán học, hàm phương hướng chuẩn
hóa là hàm hướng chia cho giá trị cực đại của môđun (lấy giá trị tuyệt đối).
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
6
Khoá luận tốt nghiệp
Dưới đây là ví dụ về giản đồ phương hướng chuẩn hoá trong hệ tọa độ cực và
hệ tọa độ vuông góc:

Hình 3: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực
Hình 4: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
7
Khoá luận tốt nghiệp
Để so sánh giản đồ phương hướng của các anten khác nhau, ta đưa ra khái niệm
độ rộng của giản đồ phương hướng. Độ rộng của giản đồ phương hướng được định
nghĩa là góc giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức
xạ giảm đến một giá trị nhất định. Thường thì độ rộng của giản đồ phương hướng được
xác định ở hai mức:
- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức không là góc giữa hai hướng mà
theo đó cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không.
- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức nửa công suất (-3dB) là góc giữa
hai hướng mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với
cường độ trường giảm đi
2
lần).
c) Hàm phương hướng pha
Đặc tính phương hướng pha của anten biểu thị trong các hàm số
θ
farg
và
ϕ
farg
của công thức (1.3). Ở đây,
θ
farg
và
ϕ
farg

chỉ biểu thị pha của hàm phương
hướng, còn pha của các thành phần vectơ trường tại điểm khảo sát được xác định bởi:

kRf
−=Φ
θθ
arg

kRf
−=Φ
ϕϕ
arg

Với k là hệ số truyền sóng và R là khoảng cách từ điển khảo sát tới anten.
1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ
Ta đã biết ba đặc tính cơ bản của trường bức xạ là đặc tính phương hướng biên độ,
đặc tính phương hướng pha và đặc tính phân cực. Ở phần này ta sẽ xem xét về đặc tính
phân cực của trường bức xạ.
Biên độ phức của vectơ điện trường được xác định bằng công thức:
][
4
ϕϕθθ
π
ifif
R
eik
E
R
ik
+

−
=
−

Giả thiết theo một hướng nào đấy hàm số
0
=
ϕ
f
, nghĩa là theo hướng đó vectơ
điện trường chỉ có thành phần duy nhất hướng theo
ϕ
i
. Ta nói, theo hướng này điện
trường phân cực thẳng. Nếu theo một hướng khác có
0
=
θ
f
thì điện trường theo hướng
đó cũng phân cực thẳng nhưng vectơ điện trường hướng theo
ϕ
i
.
Nếu ở hướng nào đó mà cả hai hàm số
θ
f
và
ϕ
f

đều khác không, còn argument
của chúng bằng nhau thì vectơ
E
sẽ có hai thành phần theo hướng
θ
i
và
ϕ
i
. Nhưng
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
8
Khoá luận tốt nghiệp
vì hai thành phần này đồng pha nhau nên hướng của
E
trong không gian sẽ không đổi,
ta cũng nhận được trường phân cực thẳng.
Nếu hiệu argument của hai thành phần bằng
π
, nghĩa là có thể coi một trong hai
thành phần hướng cùng chiều với vectơ đơn vị, còn thành phần thứ hai hướng ngược
chiều với vectơ đơn vị nhưng hai thành phần này đồng pha nhau. Ta có hướng của vectơ
E
trong không gian cũng không biến đổi và vẫn nhận được trường phân cực thẳng.
Khi ở tất cả các hướng đều nhận được trường phân cực thẳng, ta nói anten bức xạ
sóng phân cực thẳng. Nếu ở hướng nào đó có
θ
f
và
ϕ

f
khác không, còn
θ
farg
và
ϕ
farg
có giá trị khác nhau tùy ý thì trường ở hướng ấy sẽ là trường phân cực elip.
Thực vậy, nếu gọi các vectơ thành phần trên hướng
θ
i
và
ϕ
i
là
1
E
và
2
E
, còn
hiệu argument của chúng bằng
2
π
(arg
ϕ
f
- arg
θ
f

=
2
π
), ta có thể viết biểu thức giá
trị tức thời phức số các thành phần trường (với giả thiết trường biến thiên điều hòa theo
thời gian) như sau:
)arg(
1
4
θ
θθ
π
fkRwti
m
ef
R
ik
EE
+−
−
==

)arg(
2
4
ϕ
ϕϕ
π
fkRwti
m

ef
R
ik
EE
+−
−
==

Kí hiệu:
mm
f
R
k
E
θ
π
4
1
=

mm
f
R
k
E
ϕ
π
4
2
=

Khi E
1m
= E
2m
thì phân cực elip biến thành phân cực tròn.
Mặt phẳng tạo bởi vectơ điện trường và hướng truyền sóng được gọi là mặt phẳng
phân cực.
1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích
Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất
bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi
anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten
là giống nhau.
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
9
Khoá luận tốt nghiệp
Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn
nguyên tố nào đó đã biết. Nếu lấy anten chuẩn là nguồn vô hướng thì hệ số định hướng
có thể được định nghĩa: hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ
của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức
xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công
suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp.
0
11
11
),(
),(
S
S
D

ϕθ
ϕθ
=

Trong đó:
),(
11
ϕθ
S
là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng
),(
11
ϕθ
đã
cho tại khoảng cách R.
S
0
là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết anten
bức xạ đồng đều theo các hướng.
Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho
và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc anten.
Tính toán cuối cùng cho ta:
),(FD
ddsin),(F
),(F4
D
11
2
mmax
0

2
0
2
m
11
2
m
ϕθ
ϕθθϕθ
ϕθπ
π π
=
∫ ∫
=

ở đó, D
max
là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại.
),(F
2
m
ϕθ
là hàm phương hướng chuẩn hoá .
Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất
bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn
(thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công
suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.
Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho mức
độ tổn hao công suất của anten. Nó được xác định bằng tỉ số của công suất bức xạ trên
công suất đặt vào anten:

0
P
P
A
Σ
=
η

Trong đó:
Σ
P
là công suất bức xạ
P
0
là công suất đặt vào anten
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
10
Khoá luận tốt nghiệp
Đối với anten có tổn hao thì
Σ
P
< P
0
nên
1
<
A
η
. Đối với anten lý tưởng (không
tổn hao) thì

1
=
A
η
.
Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau, thì anten thực (có
1
<
A
η
) sẽ
có công suất bức xạ
0
P
A
η
. Như vậy, so với khi công suất bức xạ bằng nhau thì trong
trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng
A
η
.
Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten:
),(
),(
),(
0
ϕθη
ϕθη
ϕθε
D

S
S
A
A
==

Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ
của anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định
hướng của anten mà còn biểu thị tổn hao trên anten.
1.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten
1.1.4.1 Khái niệm chung
Trong đường truyền nói chung, tiếp điện cho anten nói riêng, việc phối hợp trở
kháng là hết sức quan trọng.
Nội dung của phối hợp trở kháng được minh hoạ ở hình 5, trong đó sử dụng một
mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng . Mạch phối hợp thường là một
mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào
nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Z
o
của đường truyền. Khi ấy sự
phản xạ sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn sẽ không còn
nữa, chỉ còn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ
qua lại nhiều lần . Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh.
Hình 5: Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường
truyền sóng
1.1.4.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
11
Khoá luận tốt nghiệp
Sự phối hợp trở kháng hay điều chỉnh là quan trọng vì những lí do sau :
- Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại

còn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu.
- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp nhiễu của hệ thống khác
trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v..
- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp diện cho dàn
anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi
phân chọn công suất.
1.2 Đường truyền vi dải và anten mạch dải
1.2.1 Đường truyền vi dải
Hệ thống kỹ thật siêu cao tần trong những ngày đầu dùng đường truyền ống dẫn
sóng và cáp đồng trục là chủ yếu, về sau phát triển thêm công nghệ đường truyền dải và
dần trở nên chiếm ưu thế. Vào những năm 50, những người nghiên cứu đang tìm kiếm
một cách thức đơn giản hơn và rẻ hơn để chế tạo nhiều hàm tích hợp trong một khối đã
phát triển mạch dải (stripline) và vi dải (microstrip). Ống dẫn sóng có ưu điểm là khả
năng truyền tải công suất lớn, tổn hao nhỏ nhưng kích thước lớn và chi phí cao. Cáp
đồng trục cho độ rộng dải thông lớn và dễ sử dụng nhưng khó kết nối với các thiết bị
siêu cao tần khác. Công nghệ đường truyền dải đã cung cấp các đường truyền cóa chi
phí thấp, dễ phối họp với các phần tử tích cực như diot, tranzito, phạm vi trở kháng đặc
trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải thông tương đối rộng.
1.2.1.1 Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải.
Hình 6: Đường truyền vi dải
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
12
Khoá luận tốt nghiệp
Đường truyền vi dải gồm dải dẫn điện với độ rộng “w” và độ dày “t” phân cách
với đất nhờ lớp điện môi (hay còn gọi là chất nền) có độ dày “h” và hệ số ε
r
như được
minh hoạ ở hinh trên.

Hình 7: Phân bố trường của đường truyền vi dải

Ưu điểm chính của mạch vi dải so với mạch dải là tất cả các thành phần tích cực
có thể được đặt ở mặt trên của bản mạch. Còn nhược điểm của nó là khi cần có độ cách
điện cao, chẳng hạn với bộ lọc hay thiết bị chuyển mạch, có thể phải xem xét đến tấm lá
chắn ngoài.
Do không dự tính trước được đáp ứng của mạch nên mạch vi dải có thể phát xạ.
Trong đường truyền vi dải, các tín hiệu có tần số khác nhau đi thẳng với tốc độ khác
nhau gây ra sự phân tán.
1.1.2.2 Các tham số cơ bản
a) Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng
Hình 8: Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
13
Khoá luận tốt nghiệp
Khi độ dày của chất dẫn t = 0, trở kháng đặc tính Z
0
và hệ số điện môi hiệu ứng
ε
e
được tính theo công thức Wheeler và Schneider:































+++






+
=
444.1ln667.0393.1
120

4
8
ln
60
0
h
W
h
W
h
W
W
h
Z
e
e
ε
π
ε
1
1
≥
≤
h
W
h
W
với
)/(
2

1
2
1
hWF
rr
e
−
+
+
=
εε
ε










+
−++
=
2/1
2/12/1
)/121(
)/1(041.0)/121(
)/(

Wh
hWWh
hWF
1/
1/
≥
≤
hW
hW
Sai số tương đối của
e
ε
và
0
Z
phải nhỏ hơn 1%. Trong đó W/h được tính:
































−+−
−
+−−−
−
=
rr
r
A
A
BBB
e
e
h

W
εε
ε
π
π
61.0
39.0)1ln(
2
1
)12ln(1
2
120
2
8
2

2
2
≥
≤
h
W
h
W
với









+
+
−
+
+
=
rr
rr
Z
A
εε
εε
11.0
23.0
1
1
2
1
60
0
r
Z
B
ε
π
0
2

377
=
Các biểu thức trên cho độ chính xác lớn hơn 1%.
Giá trị của trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng là hàm của tỉ số W/h
được minh hoạ hình dưới đây, ở đây
e
a
ZZ
ε
/
00
=
Sự biến đổi của trở kháng đặc trưng đối với đường vi dải có chất nền không khí
(Z
a
om
với
r
ε
= 1) cũng được vẽ bởi một đường cong gạch đứt.
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
14
Khoá luận tốt nghiệp
Hình 9: Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng của đường truyền vi dải
được tính theo phương pháp của Wheeler
b) Ảnh hưởng của độ dày chất dẫn
Công thức đơn giản và chính xác của trở kháng đặc tính Z
0
và hệ số điện môi hiệu
ứng ε

e
với độ dày chất dẫn hữu hạn là:































+++








+
=
444.1ln667.0393.1
120
4
8
ln
60
0
h
W
h
W
h
W
W
h
Z
ee

e
e
e
e
ε
π
ε
1
1
≥
≤
h
W
h
W
Trong đó:
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
15
Khoá luận tốt nghiệp

























++






++
=
t
h
h
t
h
W
t
W

h
t
h
W
h
W
e
2
ln1
25.1
120
4
ln1
25.1
π
π
π
π
2
2
≥
≤
h
W
h
W
ChWF
rr
e
−

−
+
+
=
)/(
2
1
2
1
εε
ε
hW
ht
C
r
/
/
6.4
1
−
=
ε
Lưu ý rằng
0
Z
và
e
ε
không bị ảnh hưởng của độ dày chất dẫn khi tỉ số t/h nhỏ.
Tuy nhiên độ dày chất dẫn sẽ ảnh hưởng đến suy hao chất dẫn trong đường truyền vi

dải.
1.1.2.3 Trở kháng đặc tính biến thiên của theo tần số
Trở kháng đặc tính biết thiên một cách phức tạp do sự phụ thuộc của tần số vào
hình học và điện môi. Khi đó ta cần có phương pháp để tính trở kháng đặc tính.
Một phương pháp điển hình của Owen là xác định độ rộng hiệu ứng
e
w
, tiếp đó
lấy đường truyền vi dải làm mô hình cho một cấu trúc ống dẫn sóng hai chiều. Độ rộng
hiệu ứng của ống dẫn sóng được xác định bởi công thức:
e
e
Z
h
w
ε
π
0
120
=
Khi đó ta có tần số ngưỡng:
ee
c
w
c
f
ε
2
=
Độ rộng hiệu ứng dưới dạng hàm của tần số được tính:

2
)/(1
)(
c
e
e
ff
ww
wfw
+
−
−=
Khi đó ta có trở kháng đặc tính được tính theo công thức:
)()(
120
)(
0
ffw
h
fZ
ee
ε
π
=
1.2.2 Anten mạch dải
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
16
Khoá luận tốt nghiệp
1.2.2.1 Khái niệm
Anten mạch dải (anten mạch in) còn thường được gọi là anten mạch vi dải vì nó có

kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe.
1.2.2.2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản
Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại,
lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Hình vẽ:
Hình 10: Anten mạch dải
Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một
mảng của mạch in, do vậy anten còn có tên gọi là anten mạch in.
Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten mạch dải là chiều dài L, chiều
rộng W, chiều dày lớp đế điện môi h với hằng số điện môi
ε
.
Phiến kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do
λ
o
), lớp điện môi có độ dày h (0.003λ
o
≤ h ≤ 0.05λ
o
) và độ dài L trong khoảng λ
o
/3 < L <
λ
o
/2.
Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi
ε
r
từ 2.2 ÷ 12. Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của
anten: dải tần rộng hơn, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích
thước anten sẽ lớn hơn. Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thích

hợp với các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng như
ảnh hưởng qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước anten nhỏ hơn, nhưng hiệu
suất thấp, suy hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn. Trong khi đó, anten mạch dải
thường tích hợp với mạch vi sóng nên bắt buộc phải có sự thoả hiệp.
Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ
17