Thiết kế anten vi dải băng tần kép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài

THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG TẦN KÉP

Người thực hiện
Lớp
Người hướng dẫn

: Nguyễn Thanh Tuấn
: 09DT2
: TS. Trần Thị Hương

Đà Nẵng – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.
Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Tuấn

2

MỤC LỤC

3


CÁC TỪ VIẾT TẮT
BW

Bandwidth

Băng thông

CW

Clockwise

FEM

Finite element method

GSM

Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GPS

Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

Phương pháp phần tử hữu hạn

HFSS Hight Frequency Structure Simulator
MIC

Microwave integrated circuit Mạch tích hợp

MSA

Microstrip

Antennas

MTA

Microstrip

Anten traveling-wave vi dải

Anten vi dải

Traveling-Wave Antennas
RF

Radio over Fiber

4


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, thông tin và truyền số liệu đã có những bước phát
triển mạnh mẽ. Việc các khối mạch số liên kết hữu tuyến đã dần được thay thế

thành các hệ thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với các phương pháp
xử lý số tín hiệu cho phép truyền thông tin đi xa hơn, trên nền nhiễu lớn hơn, công
suất phát thấp hơn và dải tần thông tin rộng hơn. Do đó, quy mô hệ thống thông tin
anten phải được chọn sao cho phù hợp.
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. Không những thế, anten vi dải còn rất phù hợp với
cấu trúc mảng anten (array antenna) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn
thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten
thông minh trong nhiều ứng dụng kĩ thuật cao.
Đặc biệt WLAN hay WiFi là một công nghệ không dây đã được giới thiệu và
phổ biến từ cuối những năm 1990, nó đã thực sự bùng nổ trong những năm gần đây.
Công nghệ WLAN phát triển theo các tiêu chuẩn : Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu
tiên trên thị trường. Chuẩn 802.11b, 802.11g phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có
thể xử lý đến 11Mb/s. Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5GHz và có thể đạt đến 54
Mb/s. Đồ án tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten vi dải đồng thời sẽ tính toán
thiết kế anten vi dải cho hệ thống WLAN sử dụng chuẩn 802.11a.
Trong đồ án này sử dụng phần mềm thông dụng để tính toán và mô phỏng
anten vi dải là HFSS, nhờ vào ưu điểm giao diện 3D để có thể xem được một cách
tổng quát về độ định hướng cũng như búp sóng.
Hiểu được tầm quan trọng của vấn đề này, em đã chọn việc “ Thiết kế anten
vi dải băng tần kép 1.6GHz và 2.4GHz cho GPS và WIRELESS” làm đề tài cho đồ
án tốt nghiệp này. Đề tài gồm các chương sau :
 CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT ANTEN
 CHƯƠNG 2 : ANTEN VI DẢI

5

 CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ANSOFT HFSS,THIẾT

KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BĂNG TẦN KÉP
Kết quả mô phỏng cho anten được thiết kế trong đồ án này tương đối phù
hợp. Dựa vào phân tích kết quả đồ án đã đưa ra được nguyên nhân gây ra sai lệch.
Đồng thời đề ra phương hướng giải quyết và phương hương nghiên cứu tiếp theo
nhằm cải thiện các đặc tính anten.

6


CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Giới thiệu chương
Anten là thiết bị quang trọng trong các thiết bị vô tuyến, dùng để thu và bức
xạ năng lượng dưới dạng trường điện từ trong không gian.Việc tìm hiểu lý thuyết
anten tạo cơ sở để thiết kế và phân tích hoạt động của anten.
Ở chương này, em xin trình bày cấu trúc chung của anten, nguyên lý bức xạ
và các thông số cơ bản của anten.
1.2 Lý thuyết về anten
1.2.1 Giới thiệu về anten
Anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng. Hay
nói cách khác anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu
nhận sóng từ (anten thu) từ không gian bên ngoài. 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 fide.

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng
Trong hệ thống này, máy phát sẽ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện
này sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.
Anten phát biến đổi sóng điện từ ràng buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra
ngoài không gian. Trong các máy thu, anten có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự

7


CHƯƠNG 1

do trong không gian bên ngoài. Anten thu chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng
điện từ do an ten phát truyền đi, phần năng lượng còn lại sẽ bức xạ vào không gian.
Anten thu biến sóng điện từ tự do thành sóng điện từ ràng buộc rồi truyền qua các
fide đến máy thu. Hầu hết trong các thiết bị di động chỉ có một anten đảm nhận hai
chức năng nhận và thu. Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten và fide là phải thực hiện
việc biến đổi và truyền dẫn năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo
dạng tín hiệu.
Hình 1.2 thể hiện phương trình tương đương Thevenin của hệ thống anten
trong hình 1.1 làm việc ở chế độ phát. Nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động
lýtưởng Vg, anten được thể hiện bởi tải Z , với [Z = (R + R )+j.X ], đường
A
A
L
r
A
truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng

Zc

. Trở kháng tải

R thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn gắn với cấu trúc anten. Trở kháng R
L
r
được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten. Điện
kháng X

A

thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten. Trong

điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn từ máy phát sẽ được truyền hoàn
toàn tới trở kháng bức xạ R . Tuy nhiên trong hệ thống thực tế, luôn luôn có các tổn
r
hao do điện môi và tổn hao do vật dẫn, mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng
không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten.

8


CHƯƠNG 1

Hình 1.2 Mô hình tương đương Thevenin cho hệ thống anten.
Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào
anten. Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa
nhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn, khi đó trên đường
truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng. Nếu thiết kế hệ thống anten không
chính xác, đường truyền giống như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một

thiết bị dẫn sóng và truyền năng lượng. Đường truyền dẫn có thể bị phá hủy nếu
cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn. Tổng mất mát đường truyền phụ
thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng. Tổn hao do đường truyền có
thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền tổn hao thấp, tổn hao do
anten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng tải R . Sóng đứng có thể được
L
giảm đi và khả năng lưu trữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu bằng cách
phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng

Zc

của đường truyền. Tức là

phối hợp trở kháng giữa anten với đường truyền.
Mô hình tương đương Thevenin của hệ thống anten ở chế độ thu tương tự
như anten phát, nguồn được thay bằng bộ thu. Tất cả các phần khác của mô hình
tương đương là tương tự. Trở kháng phát xạ R được sử dụng để thể hiện trong chế
r
độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten.

9


CHƯƠNG 1

Ngoài việc bức xạ hay thu nhận năng lượng, anten còn có nhiệm vụ 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. Thực tế, anten có nhiều hình dạng khác nhau tùy mục đích cụ thể.
1.3 Các thông số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm cơ bản của anten như: sự bức xạ sóng,
trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, độ định hướng, phân cực sóng, trở kháng
vào, tần số cộng hưởng, băng thông ….
1.3.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi năng lượng được truyền từ nguồn tới anten tạo 2 trường: một là trường
cảm ứng (trường gần), trường này ràng buộc với anten, trường thứ hai là trường bức
xạ (trường xa). Tại khu vực gần anten (trong trường gần), cường độ các trường lớn
và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng truyền đến anten. Tại khu xa, chỉ có trường
bức xạ là được duy trì do trường gần suy hao. Trường khu xa gồm 2 thành phần là
điện trường và từ trường vuông góc với nhau như hình 1.3.

Hình 1.3. Các trường bức xạ tại khu xa.
Điện trường và từ trường bức xạ từ anten hình thành nên trường điện từ.
Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển. Sóng trên đường truyền đi, năng

10


CHƯƠNG 1

lượng sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn trong không gian.
Do đó mật độ năng lượng giảm đi khi ở xa anten.
1.3.2 Giản đồ bức xạ
Anten bức xạ ra các tín hiệu vô tuyến tạo thành một trường điện từ . Mỗi anten
có một giản đồ xác định. Đặc tính định hướng của anten được thể hiện bởi giản đồ
bức xạ này.
Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các
đặc tính bức xạ của anten. Trong các giản đồ bức xạ, hầu hết được xét ở trường xa của
anten. Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay
3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt

có bán kính không đổi. Hệ tọa độ cầu thường được sử dụng để thể hiện trường bức
xạcủa anten như hình 1.4.

11


CHƯƠNG 1

Hình 1.4 Hệ tọa độ phân tích của anten
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Trong thực tế không có anten đẳng hướng. Anten đẳng hướng chỉ là một anten
giả định, bức xạ đều ra tất cả các hướng trong không gian. Anten đẳng hướng là lý
tưởng và rất khó để chế tạo, nhưng nó thường được sử dụng như một tham chiếu để
thể hiện đặc tính định hướng của anten thực. Anten hướng tính là anten có đặc tính
bức xạ hay thu sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại.

12


CHƯƠNG 1

Hình 1.5 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten
Mặt phẳng E là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại,
mặt phẳng H là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại. Trong
thực tếngười ta thường chọn hướng của anten thế nào đó để ít nhất một trong các
mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ( mặt phẳng
x, mặt phẳng y hoặc mặt phẳng z).

Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H

13


CHƯƠNG 1

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Hình 1.7 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính
Búp chính là búp chứa hướng bức xạ cực đại. Trong hình 1.7, búp chính đang
chỉ theo hướng

θ =0

. Có thể có nhiều hơn một búp chính. Búp phụ là bất kỳ búp nào,

ngoại trừ búp chính. Búp bên thường là búp liền sát với búp chính và theo hướng của
búp chính. Búp sau là búp bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 độ so với búp
chính. Thường thì búp phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với búp chính. Búp
phụ bức xạ theo các hướng không mong muốn. Búp bên thường là búp lớn nhất
trong các búp phụ. Cấp của búp phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất
theo hướng của búp đó với mật độ công suất của búp chính.

14


CHƯƠNG 1

Hình 1.8 Đồ thị của giản đồ công suất các búp
1.3.3 Mật độ công suất bức xạ
Mật độ công suất bức xạ[4]. Sóng điện từ dùng để truyền thông tin qua môi

trường vô tuyến hay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác. Vector Poynting
tức thời dùng để mô tả năng lượng kết hợp với sóng điện từ:

W=E×H
(1.1)
Trong đó:

Wvector Poynting tức thời (

W / m2

)

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 được tính bằng tích phân thành phần
pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó.
ˆ
P=Ò
∫∫ W.ds =Ò
∫∫ W.n.da
S

Trong đó:

S

( 1.2)

P:tổng công suất tức thời (W)

nˆ

: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

da : vi phân diện tích của bề mặt (

m2

)

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tính mật độ năng lượng trung
bình bằng cách tính tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho

15


CHƯƠNG 1

chu kỳ. Mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời
trong 1 chu kỳ. Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng

, ta định

nghĩa các trường phức E và H
E(x, y, z, t ) =Re[E(x, y, z)e jωt ]
H(x, y, z , t ) = Re[ H(x, y, z)e jωt ]
Re[ Ee jwt ] =

Ta có

1
[ Ee jwt + E * e − jwt ]
2

(1.3)
(1.4)

. Khi đó (1.1) có thể được viết lại là:

1
1
W=E× H= Re[E × H * ] + Re[E × H .e j 2ωt ]
2
2

(1.5)

Thành phần đầu tiên của 1.5 không biến đổi theo thời gian, thành phần thứ
hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước. Vector Poynting trung
bình theo thời gian có thể được viết lại là:
1
Wav ( x, y, z ) = [W( x, y, z; t )]av = Re[ E × H ∗ ]
2

(1.6)

Thành phần ½ xuất hiện trong 1.5 và 1.6 bởi vì các trường E và H tính theo
biên độ. Dựa trên định nghĩa 1.6, công suất trung bình bức xạ bởi anten (công suất
bức xạ) có thể được định nghĩa là:
1

Wav ( x, y , z ) = [W( x, y, z; t )]av = Re[ E × H ∗ ]
2

(1.7)

1.3.4 Cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ [4] theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng
lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc. Cường độ bức xạ là tham số
trường xa, và được tính bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương
khoảng cách :

16


CHƯƠNG 1

U = r 2 × Wrad

Trong đó:

(1.8)

U cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc).
Wrad

mật độ công suất bức xạ (W/

).

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :

Prad = Ò
∫∫ U × d Ω =
Trong đó,

2π π

∫ ∫ Sinθ dϕ dθ
0 0

d Ω = sin θ dθ dφ

(1.9)
là một vi phân góc đặc.

1.3.5 Hệ số định hướng
Hệ số định hướng [4] là tỉ lệ giữa cường độ bức xạ của anten theo một hướng
cho trước so với cường bức xạ trung bình trên tất cả các hướng. Cường độ bức xạ
π

trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho 4 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 U

nguồn đẳng hướng

U0

và cường độ bức xạ của một

:

17


CHƯƠNG 1

U=

U 4π U
=
U0
Prad

(1.10)
U0 =

Prad
4π

(1.11)
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 đặc).

(1.12)

Prad là tổng công suất bức xạ (W)
D0

U

là hướng tính cực đại

max

là cường độ bức xạ cực đại.

U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng .
1.3.6 Băng thông
Băng thông (BW) [4] là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa
mãn một tiêu chuẩn nhất định. Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số,
về hai bên của tần số trung tâm, ở đó các đặc tính của anten ( chẳng hạn như trở
kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng
chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được.
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.

18

CHƯƠNG 1

BW =

f max − f min
f0

*100%

(1.13)
Với 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.
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.
1.3.7 Hệ số tăng ích
Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng
ích (G) [4]. 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 được xác định bằng cách so sánh mật độ bức xạ của
anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng
hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng
nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1.
Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một
anten và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với
trường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực). Trong thực tế, tham số này đã đưa

ra tham số hiệu suất của anten ,

, cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi

công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào.
G =η × D

(1.14)

19


CHƯƠNG 1

1.3.8 Phân cực sóng
Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực sóng
anten[4]. Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân
cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại.
Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của
vector trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng. Một phân cực của
anten có thể được phân loại như tuyến tính, tròn hay elip.
Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể
được biểu diễn như sau :
E( z , t ) = aˆ x Ex ( z , t ) + aˆ y E y ( z, t )

(1.15)

Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phần tức thời và thành phần phức :

Ex ( z , t ) = Re[ E x e j (ωt +kz ) ] = Re[ E xo e j (ωt +kz +θ x ) ]

= Exo cos (ωt + kz + θ x )

(1.16)

E y ( z, t ) = Re[ E y e j (ωt + kz ) ] = Re[ E yo e j (ωt + kz+θ y ) ]
= E yo cos (ω t + kz + θ y )

Với

Ex 0 , E y 0

(1.17)

tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần

theo trục x và trục y.
Phân cực thẳng
Để bức xạ có phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa hai thành phần
phải là
∆ϕ = ϕ x − ϕ y = nπ

, n = 0,1, 2,3...

(1.18)

20


CHƯƠNG 1

Phân cực tròn
Phân cực tròn có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ bằng nhau và có
độ lệch pha theo thời gian giữa chúng phải bằng số lẻ lần

.Tức là :

Ex = E y ⇔ Ex 0 = E y 0

 1
+ ( 2 + 2n)π , n = 0,1, 2...(CW )
∆ϕ = ϕ x − ϕ y = 
− ( 1 + 2n)π , n = 0,1, 2,...(CCW )
 2
1.3.9 Trở kháng vào

(1.19)

(1.20)

Hầu hết các anten vi dải cần phải phối hợp trở kháng chuẩn của nguồn và tải,
do đó việc tính toán trở kháng vào của anten là rất quan trọng. Trở kháng vào
[4]được định nghĩa: là 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. Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào, không
có tải, xác định trở kháng của anten như sau:
ZA = RA+ j.XA

(1.21)

Trong đó: ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω).

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω).
XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω).
Thành phần điện trở RA bao gồm 2 thành phần :

21


CHƯƠNG 1

RA = Rr + Rl
(1.22)
Rr

Rl

: trở kháng bức xạ của anten (Ω)

: trở kháng suy hao của anten (Ω)
Anten chỉ phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ ở một dải tần số nào đó. Trở

kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng, phương pháp tiếp
điện cho anten và ảnh hưởng của môi trường.
1.4 Kết luận chương
Trong chương này, chúng em đã giới thiệu lý thuyết cơ bản về anten. Nêu ra
các số cơ bản của anten. Thấy được nguyên lý bức xạ của anten và nêu ra một số
công thức cơ bản của anten. Qua chương này, chung em đã có những kiến thức cơ
bản để đi sâu vào tìm hiểu về anten vi dải ở chương sau.

22

CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 2

ANTEN VI DẢI

2.1 Giới thiệu chương
Anten vi dải là một trong sự phát triển công nghệ chế tạo linh kiện, các thiết
bị di động có kích thước ngày càng nhỏ. Lý thuyết và kĩ thuật chế tạo anten vi dải
đang được nghiên cứu rộng rải Etrong những năm gần đây và mang lại nhiều kết
quả trong việc ứng dụng trong lĩnh vực thông tin di động.
Trong chương này, phần tổng quan về anten vi dải, một số phương pháp cấp
nguồn cơ bản, các thông số kỹ thuật của anten vi dải và bài toán thiết kế sẽ được
giới thiệu.
2.2 Giới thiệu chung về anten vi dải
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach 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:


CHƯƠNG 2

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< 12. Lớp nền điện môi gồm
có hai loại là lớp nền điện môi dày và lớp nền điện môi mỏng. Đối với lớp 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. Trong
hầu hết các thiết kế anten thì lớp điện môi thường dùng 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 hạn chế sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian,
nhưng kích thước các phần tử lớn hơn.
2.2.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được thiết kế với nhiều dạng hình học khác nhau: hình vuông,
hình bán cầu, tam giác, bán tròn, hình quạt, hình vành khuyên.

Hình 2.2 Các dạng anten vi dải


CHƯƠNG 2

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.
• 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(L<0.05 λ 0). Đồ thị bức xạ của dipole vidải
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 thì chúng hầu như khác nhau.
•

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.

• Printed Slot Antenna
Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất
của một đế được nối đất (groundsubstrate). 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.