Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này đã được hoàn thành tại Bộ môn Vật lí Chất rắn và Điện tử,
Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Mạnh Cường.
Đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới TS. Trần
Mạnh Cường đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và
giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo Bộ môn Vật lí Vô
tuyến và Điện tử,Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã chỉ bảo và
giảng dạy tôi trong suốt những năm học qua.
Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài NAFOSTED mã
số HĐ-103.99-2011-02.
Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã
tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, tháng 1 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Thị Thúy

1


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

HIS

: High Impedance Surface

LHMs

: Left handed metamaterials

MMs

: Metamaterials

TE

: Transverse electric

TM

: Transverse magnetic

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN.................................................................................................7

1.1.2.Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ........................................................8
1.1.3.Hệ phương trình Maxwell...................................................................................8
1.1.4.Các thông số cơ bản của anten .........................................................................10
a.Trở kháng vào của anten......................................................................................................10
b.Hiệu suất của anten..............................................................................................................11
c.Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích.......................................................................................12
d.Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten ...................................................................13
e.Tính phân cực của anten.......................................................................................................14
f.Dải tần của anten..................................................................................................................15

g.Các hệ thống anten..................................................................................................16

Anten nửa bước sóng..............................................................................................................25
Anten phần tư bước sóng .......................................................................................................26

a.Khái niệm về bề mặt trở kháng cao.........................................................................37
b.Các đặc tính vật lý của bề mặt trở kháng cao.........................................................38
Các tham số mạch (Circuit Parameters)...................................................................................38
Sự phản xạ pha (Reflection Phase)..........................................................................................44
Sóng mặt (Surface Waves).......................................................................................................46

3


MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN.................................................................................................7

1.1.2.Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ........................................................8
1.1.3.Hệ phương trình Maxwell...................................................................................8
1.1.4.Các thông số cơ bản của anten .........................................................................10
a.Trở kháng vào của anten......................................................................................................10
b.Hiệu suất của anten..............................................................................................................11
c.Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích.......................................................................................12
d.Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten ...................................................................13
e.Tính phân cực của anten.......................................................................................................14
f.Dải tần của anten..................................................................................................................15

g.Các hệ thống anten..................................................................................................16
Anten nửa bước sóng..............................................................................................................25
Anten phần tư bước sóng .......................................................................................................26

a.Khái niệm về bề mặt trở kháng cao.........................................................................37
b.Các đặc tính vật lý của bề mặt trở kháng cao.........................................................38
Các tham số mạch (Circuit Parameters)...................................................................................38
Sự phản xạ pha (Reflection Phase)..........................................................................................44
Sóng mặt (Surface Waves).......................................................................................................46

4


MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh chóng trong những năm gần
đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn hơn. Để thỏa mãn
nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải
được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi mạch dải
(microstrip antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các
thiết bị đầu cuối….; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu cần thiết ở trên. Cũng
bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng, hiệu suất cao đã thu hút
rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về anten.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa
mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động hiện nay, bao
gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS
(Digital Communication System, 1710 –

1880 MHz), PCS (Personal

Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UTMS (Universal Mobile
Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã xuất bản
trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng
trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless
Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2

GHz (5150 – 5350MHz).
Anten mạch dải vốn đã có băng thông hẹp và hiệu suất thấp nên việc nghiên
cứu để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất anten thường là nhu cầu cần thiết đối
với các ứng dụng thực tế hiện nay. Có nhiều cách để mở rộng băng thông và tăng
hiệu suất của Anten mạch dải như dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu…
Trong đó việc sử dụng một loại vật liệu mới là Metamaterials để cải thiện các tính
chất điện từ của anten là một phương pháp mới rất hiệu quả và được nhiều nhóm
nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong những năm gần đây.
Metamaterials là vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng với các
tính chất vật lí không có trong vật liệu thông thường. Metamaterials được hiểu là
vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông

5


thường như: Đảo ngược điều kiện khúc xạ [4], đảo ngược hiệu ứng Dopler [4], đảo
ngược định luật Snell [4], Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen [4],…Và một tính
chất đặc biệt quan trọng đó là Metamaterials có thể ngăn cản sự lan truyền sóng
điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất này ta có thể dùng Metamaterials để ngăn chặn
sự lan truyền sóng bề mặt của anten làm cải thiện một số tính chất của anten. Với
các cấu trúc Metamaterials thiết kế khác nhau có thể thay đổi các tính chất điện từ
của các loại Anten.
Với những lí do trên chúng tôi đã chọn đề tài “Ảnh hưởng của các tham số
cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” nhằm tìm ra cấu trúc
Metamaterials tối ưu để cải thiện các tính chất điện từ của anten.
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
+ Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu
trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để
ứng dụng trong thiết kế anten
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của

anten metamaterial.
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là sự kết hợp giữa mô phỏng và chế
tạo cùng các phép đo thực nghiệm.
Bố cục của luận văn bao gồm 03 phần:
Phần 1: MỞ ĐẦU
Phần 2: NỘI DUNG
Chương 1: Tổng quan về anten
Chương 2: Anten metamaterial
Chương 3: Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Phần 3: KẾT LUẬN

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN
1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC
THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN
1.1.1. Khái niệm anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không
gian bên ngoài.
Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển…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 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 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).

Hệ thống
cung cấp
tín hiệu

Hệ thống
cảm thụ
bức xạ

Hệ thống
bức xạ

Anten thu

Anten phát
Máy phát

Hệ thống
gia công tín
hiệu

Thiết bị
xử lý

Thiết bị
điều chế

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu[1]

7

Máy thu


1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc
từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ
chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thước rất nhỏ so
với bước sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian
của tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên nhưng điện từ trường này hầu như không
bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển
qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên
năng lượng trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ
trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lượng
của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và
điện môi của mạch.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và
tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên
ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng
cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là
các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà
chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy.
Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ
trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành
quá trình sóng điện từ.
Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự
do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ
ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1]
1.1.3. Hệ phương trình Maxwell.
Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản

của điện động lực học là các phương trình Maxwell.

8


Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến
đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức

(1.1a)
E = Re( E e iωt ) = E cos(ωt )

e iωt


E = Im( E e iωt ) = E sin(ωt )
Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:


rotH = iωε p E + J e

(1.2)

rotE = −iωµH

(1.3)

ρe
divE =
ε
divH = 0

E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: (V/m)
H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường: (A/m)

Hệ số điện thẩm phức của môi trường được tính theo công thức:

σ 

ε p = ε 1 − i

ωε 


(1.6)

ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường: (F/m)
μ hệ số từ thẩm của môi trường: (H/m)
σ điện dẫn xuất của môi trường: (Si/m)
J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện: ( A )
m2

ρ e là mật độ khối của điện tích: ( C )
m3

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong
một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta
đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm
dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.

9

Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết
như sau:
rotH = iωε p E + J e

(1.7)

rotE = −iωµH − J m

(1.8)

divE =

ρm
ε

(1.9)

ρe
divH = −
µ

(1.10)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E và H. Trong phương trình
nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten
Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất

- Hệ số định hướng và độ tăng ích.
- Đồ thị phương hướng.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
a. Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa
điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten:
ZA =

UA
= R A + jX A
IA

(1.11)

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của
anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.

10


Thành phần thực của trở kháng vào R A được xác định bởi công suất đặt vào
anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:
RA =

(1.12)

PA
I Ae

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính
phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số
trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể
truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng
giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
b. Hiệu suất của anten
Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số
quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten η A chính là tỷ số giữa
công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA:

ηA =

(1.13)

Pbx
PA

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với
anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó η A < 1.Gọi công suất tổn hao là Pth

PA = Pbx + Pth

(1.14)

Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện
trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:
2
2

( Rbx + Rth )
PA = I Ae
.R A = I Ae

(1.15)

Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành:
ηA =

Pbx
Rbx
=
Pbx + Pth Rbx + Rth

11

(1.16)


c. Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích
Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau
người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ
số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu
quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý
tưởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất η A = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều
theo mọi hướng. Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là
một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của anten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi
chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn

giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó:
D(θ1 , ϕ1 ) =

Pbx (θ1 , ϕ1 ) E 2 (θ1 , ϕ1 )
=
Pbx (0)
E 2 ( 0)

(1.17)

Trong đó:
D( θ1 , ϕ1 ) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương ( θ1 , ϕ1 );
Pbx( θ1 , ϕ1 ) và Pbx(0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng
( θ1 , ϕ1 ) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
E( θ1 , ϕ1 ), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( θ1 , ϕ1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten
vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E( θ1 , ϕ1 ).
Hệ số tăng ích của anten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa
vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao
cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,ϕ):
G (θ , ϕ ) = η A D(θ , ϕ )

(1.18)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính
bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.18) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ
số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính
được Pbx theo công thức sau:

12

Pbx = PA .G A

(1.19)

d. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten
Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát
hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc
không bức xạ, không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính
hướng tính của anten. Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như
đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten.
Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị
tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có
khoảng cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương
ứng với các phương của điểm xem xét.

13


Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc[1]
Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một
như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh đồ thị
phương hướng của các anten khác nhau. Trong không gian, đồ thị phương hướng
của anten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt
phẳng ngang (góc ϕ) và mặt phẳng đứng (góc θ).
Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo
sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị
phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay
còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính

vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được
gọi là góc mở nửa công suất.
e. Tính phân cực của anten




Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector E , H có
biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem
xét theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút
(điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với
phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn
thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng. Trong trường
hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là
trường hợp riêng

14


Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tròn[1]
Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan hoặc
thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành
phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm
ngang. Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân
cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với
thành phần đứng.
f. Dải tần của anten
Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của
anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó được quy định là mức

nửa công suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch
chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của
anten thường gọi là tần số công tác.
Thường dải tần được phân làm 4 nhóm
- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):
∆f
f
< 10% tức là max < 1.1
f0
f min

- Anten dải tần tương đối rộng
10% <

∆f
f
< 50% tức là 1.1 < max < 1.5
f0
f min

- Anten dải tần rộng

15


1.5 <

f max
<4
f min

- Anten dải tần rất rộng
f max
>4
f min

Trong đó: Δf = fmax – fmin
g. Các hệ thống anten
 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,
anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải
trong các thiết bị di động.
 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.
 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng
vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz).
 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.
Quy ước về các dải tần số:
Dải tần số
3-3 KHz
30-300 KHz

Tên, ký hiệu
Very low Freq (VLF)
Low Freq (LF)

Ứng dụng
Đạo hàng, định vị.
Pha vô tuyến cho mục đích
đạo hàng
Phát thanh AM, hàng hải,

300-3000 KHz

Medium Freq (MF)

trạm thông tin duyên hải,
tìm kiếm.
Điện thoại, điện báo, phát

3-30 MHz

High Freq (HF)

thanh sóng ngắn, hàng hải,
hàng không.
TV, phát thanh FM, điều

30-300 MHz

Very High Freq (VHF)

khiển giao

thông, cảnh

300-3000 MHz

Ultra High Freq (UHF)

sát, taxi, đạo hàng.
Tivi, thông tin vệ tinh, do

thám, radar.
Hàng không, vi ba, thông

3-30 GHz

Super High Freq (SHF)

16

tin di động, vệ tinh.


30-300 GHz

Extremly High Freq (EHF)

Radar, nghiên cứu khoa
học

1.2. ANTEN MẠCH DẢI
Lí thuyết về anten mạch dải đã ra đời từ những năm 1950 xong con người mới
thực sự nghiên cứu về nó từ những năm 1970. Đến nay nó được ứng dụng rộng rãi
trong các thiết bị di động như: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại, máy tính,…),
máy bay, tên lửa, vệ tinh,… Với các ưu điểm là kích thước nhỏ gọn (có thể đạt được
kích thước cỡ bước sóng ánh sáng micromet), độ bền cao và giá thành rẻ,… Ngoài
ra chúng khá dễ dàng để thay đổi các đặc trưng như tần số cộng hưởng, tính phân
cực, đặc tuyến, trở kháng,…
Nhược điểm của anten mạch dải là: hiệu suất thấp, năng lượng bức xạ thấp, dải
thông hẹp và tính phân cực cao.
Dải tần làm việc của anten mạch dải cỡ GHz. Ở tần số thấp hơn thì kích thước

và tính định hướng của anten rất lớn.
1.2.1. Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải
a. Cấu tạo
Anten mạch dải thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Mỗi phần tử anten
gồm các phần chính là: Các phiến kim loại mỏng có hình dạng khác nhau gắn trên
đế điện môi.

Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải[2]
Phiến kim loại có kích thước trong khoảng λ 0/3 đến λ0/2, độ dày h (cỡ khoảng
0.003λ0 – 0.05λ0), mặt đối diện thường được tiếp đất, hằng số điện môi của đế là ε r
thường trong khoảng 2.2 đến 12.

17


Thông thường với đế điện môi dày và hằng số điện môi nhỏ sẽ làm cho tổn
hao năng lượng ít và dải thông rộng hơn nhưng ngược lại làm cho kích thước anten
lớn hơn khó để tích hợp cả anten và mạch tạo sóng trên cùng một board mạch.
Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W,
độ dày chất nền h, hằng số điện môi ε.
b. Phân loại anten mạch dải
• Anten mạch dải dạng tấm (microstrip patch antenna) gồm một tấm dẫn điện
gắn trên một đế điện môi (hình 1.4). Tấm dẫn điện có thể là hình tròn, hình elip,
hình vuông, hình chữ nhật, hình tam giác,… Thông thường người ta dùng hình
chữ nhật và hình tròn

Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm[2]
• Anten mạch dải lưỡng cực (microstrip dipole antenna) gồm hai tấm dẫn điện
gắn ở hai phía đối xứng của tấm điện môi (hình 1.6)

Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực[2]

18


• Anten khe mạch dải (printed slot antenna): gồm các khe hẹp trên mặt phẳng
của đế điện môi, khe này có thể có hình dạng bất kì.

Hình 1.7: Anten khe mạch dải[2]
• Đường kết nối với nguồn được khắc ở mặt sau và kí hiệu bằng đường nét
đứt.
• Anten mạch dải song chạy (microstrip travelling – wave antenna): Gồm các
đoạn dãy xích hay dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt đế điện môi.

Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy[2]
• Anten mạch dải dạng mảng:

c. Các phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải
• Tiếp điện bằng đường mạch dải: Là phương pháp dùng một đường mạch dẫn
có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng anten.

19


Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải[2]
• Với phương pháp này dễ chế tạo, đơn giản trong kêt nối với anten, tuy nhiên
bề dày của đế điện môi tăng lên làm bức xạ sóng bề mặt và nhiễu tăng.
• Tiếp điện bằng cáp đồng trục: Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng tấm
điện môi lên tấm dẫn điện, lõi bên trong cáp xuyên qua lớp đế điện môi tiếp xúc
với patch, lớp bên ngoài nối với mặt phẳng đất.

Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục[2]
Đây là phương pháp thông dụng nhất có ưu điểm là làm giảm nhiễu, dễ chế tạo, phối
hợp trở kháng tốt vì chỉ cần thay đổi vị trí tiếp điện là có thể thay đổi trở kháng vào,
dễ kết nối với anten , có nhược điểm là khó đạt chuẩn và dải thông hẹp.
• Tiếp điện bằng cách ghép khe: Với cách này thì patch và đường tiếp điện
mạch dải được phân cách bởi mặt phẳng đất. Tấm patch được liên kết với đường
tiếp điện thông qua một khe xuyên qua mặt phẳng đất.

20


Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe[2]
Ưu điểm của cách kết nối này là: Khe ghép được đặt ngay dưới trung tâm
của tấm patch giúp giảm bức xạ phân cực ngang, dễ dàng hơn trong việc thiết
kế, bức xạ nhiễu thấp.
Nhược điểm: Khó chế tạo do khó tạo được chất điện môi nhiều lớp, bề dày của
anten tăng lên, băng thông hẹp.
• Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận: Với phương pháp này tấm bức xạ và
đường dẫn mạch dải nằm cùng một phía so với mặt phẳng đất.
Ưu điểm: Băng thông rộng nhất (có thể đạt tới 13%), dễ thiết kế và bức xạ nhiễu thấp.
Nhược điểm: Khó chế tạo, bề dày anten lớn.

Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận[2]

d. Nguyên lí hoạt động

21

Sóng điện từ bức xạ từ tấm phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản xạ
trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên. Trường bức xạ xảy ra chủ
yếu do trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất.

Hình 1.13: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải[2]
Sóng trong cấu trúc mạch dải phụ thuộc vào từng dạng của cấu trúc. Có bốn loại
sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng đó là: Sóng không gian, sóng mặt, sóng rò (leaky
wave) và sóng trong ống dẫn sóng (guided wave). Nếu cấu trúc được sử dụng như
anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng không gian. Đối với cấu trúc
dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn sóng. Còn hai loại sóng còn
lại: sóng mặt và sóng rò về cơ bản đều là sóng hao không mong muốn.

Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng[2]
Sóng trong ống dẫn sóng (tia A trong hình 2.13 ), đó là sóng tồn tại trong lớp
đế điện môi giữa màn chắn dẫn điện và tấm kim loại.
Sóng không gian (nhóm tia B trong hình 2.13 ) được phát xạ lên phía trên bề
mặt phiến kim loại, những sóng này có thể bức xạ đi xa, biên độ trường giảm nhanh
theo khoảng cách với tỷ lệ 1/r. Đặc tính khác nhau của mỗi cấu trúc sẽ dẫn đến các
tính chất khác nhau của sóng không gian. Tuy nhiên, đối với đường truyền mạch
dải, sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa không gian phía trên vì màn chắn kim loại đã
ngăn cản việc bức xạ xuống nửa không gian phía dưới.

22


Sóng rò (tia C trên hình) phát sinh khi sóng truyền trong lớp điên môi tới màn
chắn theo góc tới nhỏ hơn góc tới hạn θth = arcsin(1/ ). Sau khi phản xạ từ màn
chắn, một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi - không khí khiến
cho một phần năng lượng rò ra khỏi lớp điện môi.
Sóng mặt (nhóm tia D trên hình) là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu

trên bề mặt và bên trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới
hạn điện môi - không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong
sợi cáp quang.
1.2.2. Phương pháp phân tích anten mạch dải
Có nhiều phương pháp để phân tích anten mạch dải song hai phương pháp
thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là phương pháp đường truyền
dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn
được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản, còn
phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp được áp
dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp.
Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi anten mạch dải hình chữ nhật có thể
mô tả tương đương 2 khe bức xạ có chiều rộng W và chiều cao h, phân chia bởi đường
truyền chiều dài L (hình 1.13). Mỗi khe bức xạ được coi như một lưỡng cực từ.

23


Hình 1.15: Mô hình bức xạ của anten mạch dải[2]
Khi chọn L = λd/2 vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau
nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong
không gian. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử mạch dải nửa sóng.
Hiện nay ngoài các phương pháp trên còn có phương pháp FDTD, phương
pháp này được công bố bởi Yee năm 1966 là phương pháp đơn giản nhưng hữu hiệu
để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell. FDTD đặc biệt có thể
mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các tham số tác động
lên anten.
Trong phần thiết kế để đơn giản ta xét mô hình tấm mạch dải hình chữ nhật
được tiếp điện bằng cáp đồng trục. Trước tiên ta bắt đầu với ba thông số bắt buộc cơ
bản đó là: tần số hoạt động (tần số cộng hưởng này có thể chọn tuỳ vào từng ứng
dụng), hằng số điện môi, độ dày điện môi.

Sau đây sẽ là các bước tính toán thiết kế:
Chiều rộng của tấm kim loại:
W=

1
2 f r µ 0ε 0

v0
2
=
ε r +1
2 fr

Hằng số điện môi hiệu dụng:

24

2
ε r +1

(1.20)


εreff =

εr +1
2

+

h
ε r −1
[1+12 ]-1/2
W
2

(1.21)

Độ mở rộng chiều dài của tấm mạch dải ∆Leff:
∆Leff
h

= 0.412

W
+ 0.264
h
W
− 0.258)( + 0.8)
h

(ε reff + 0.3)(
(ε reff

(1.22)

Chiều dài của tấm mạch dải:
1

L = 2 f ε µ ε − 2∆L

r
reff
0 0

(1.23)

Chiều dài của mặt phẳng đất thỏa mãn:
Lg ≥ (

λ eff
4

) × 2 + L (1.24)

(1.24)

Chiều rộng của đất thỏa mãn:

Wg

≥(

λeff
) × 2 ×W
4

(1.25)

1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải
a. Trở kháng vào của anten mạch dải

• Anten nửa bước sóng

Hình 1.16: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng[2]
Điện trở bức xạ của mỗi khe sẽ là hàm phụ thuộc vào chiều rộng của tấm mạch
dải, và được xác định theo công thức:

25