Nghiên cứu, tính toán, thiết kế anten vi dải cho các ứng dụng wifi

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay,
em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và
bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến các thầy cô trong Trường
Đại Học Hàng Hải đã cùng với tri thức, tâm huyết và lòng nhiệt tình của mình
để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập
tại trường. Đặc biệt em xin trân thành cảm ơn GVHD Th.s Nguyễn Đình Thạch
giảng viên khoa Điện- Điện tử trường Đại Học Hàng Hải đã hướng dẫn em hoàn
thành bài luận văn tốt nghiệp. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của
thầy thì em nghĩ bài thu hoạch này của em rất khó có thể hoàn thiện được.
Em cũng xin chân thành cảm ơn tới tất cả thầy cô giáo trong khoa Điện tử,
cũng như các thầy cô giáo đã giảng dạy em trong suốt quá trình học.Nhờ các
thầy cô giáo đã cho em những kiến thức cơ sở, các kiến thức chuyên nghành
cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành thực tập và hoàn
thiện đề tài này.
Đây là bước đầu em được đi thực tế nên bài luận văn của em không thể tránh
khỏi những thiếu xót. Em rất mong thầy cô đóng góp ý kiến để giúp em hoàn
thiện bài tốt hơn. Sau cùng, em chúc các thầy cô dồi dào sức khỏe, công tác tốt,
luôn hết mình vì sự nghiệp trồng người.

1


LỜI CAM ĐOAN
Em cam đoan bài luận văn tốt nghiệp là do em nghiên cứu và thực hiện
cùng sự hướng dẫn và chỉ bảo của GVHD.
Sinh viên thực hiện
VŨ THỊ LIÊN

2

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG
ST
T
1
2
3
4
5
6
7

Tên bảng
Bảng 1.1: Bảng so sánh các đặc trưng của các loại anten
Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của anten.
Bảng 4.1. Các đặc trưng kỹ thuật của các chuẩn WiFi thông
dụng
Bảng 4.2. Thông số đầu vào cho anten vi dải
Bảng 4.3. Thông số đầu vào cho đường vi dải
Bảng 4.4. Hệ số S11 theo tần số
Bảng 4.5 Hệ số VSWR theo tần số

3

Số
tran
g
13

37
43
45
46
49
50


DANH MỤC CÁC HÌNH
ST
T
1

Tên hình
Hình 1.1. Đipôl điện và hệ trục tọa độ dùng để khảo sát

Số
trang
5

2

Hình 1.2. Đipôl từ và hệ trục tọa độ dùng để khảo sát

6

3

Hình 1.3. Vòng điện nguyên tố và trục toạ độ dùng để khảo sát

7

4

Hình 1.4. Cấu tạo của anten vi dải

9

5

Hình 1.5: Anten patch vi dải

11

6

Hình 1.6. Một số hình dạng thông dụng của anten Patch vi dải

11

7

Hình 1.7. Các hình dạng anten khe mạch in

12

8

Hình 1.8: Anten vi dải lưỡng cực

12

9

Hình 1.9: Anten vi dải sóng chạy

13

10

Hình 1.10. Sơ đồ tương đương của anten vi dải nửa bước sóng

15

11

Hình 1.10. Sơ đồ tương đương của anten vi dải phần tư bước
sóng

15

12

Hình 1.11. Biểu diễn ảnh hưởng của độ dày chất nền và hằng
số điện môi tới băng thông trở kháng.

16

13

Hình 1.12. Sự biến đổi của hệ số phẩm chất Q theo hằng số
điện môi chất nền

17

14

Hình 1.13. Vị trí tiếp điện để có phân cực thẳng

18

15

Hình 1.14. . Vị trí tiếp điện để có phân cực tròn

18

16

Hình 1.15: Cấp nguồn lệch cạnh

20

17

Hình 1.16. Cấp nguồn lấn sâu vào anten

20

18

Hình 1.17. Cấp nguồn bằng phương pháp ghé khe

21

19

Hình 1.18. Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần

22

4


20

Hình 2.1a. Mặt trước của anten

24

21

Hình 2.1b. Mặt sau của anten

24

22

Hình 2.2. Giao diện khởi động của chương trình

24

23

Hình 2.3. Chọn chế độ làm việc

25

24

Hình 2.4. Chọn loại anten muốn thiết kế

25

25

Hình 2.5. Chọn kỹ thuật mô phỏng

26

Hình 2.6 Chọn đơn vị dùng trong thiết kế

26

27

Hình 2.7. Thiết lập dải tần số hoạt động và vùng mô phỏng và
số liệu đầu ra

27

28

Hình 2.8. Xem lại các thông số đã thiết lập

27

29

Hình 2.9. Giao diện chính của chương trình

28

30

Hình 2.10. Tính toán cấp nguồn cho anten.

28

31

Hình 2.11. Tình toán trở kháng đường vi dải

29

32

Hình 2.12. Lấy tọa độ cho anten vi dải

29

33

Hình 2.13. Parameter list dùng để nhập các thông số tính toán

26

30

34

Hình 2.14 Thiết kế các lớp anten.

30

35

Hình 2.15. Shape Intersection

31

36

Hình 2.16. Chọn điểm cấp nguồn cho Anten

31

37

Hình 2.17 Tính Port cấp nguồn cho anten

32

38

Hình 2.18. Tính hệ số để tạo port cấp nguồn

32

39

Hình 2.19. Chọn dải tần hiển thị

33

40

Hình 2.20. Chọn tần số để hiển thị

34

41

Hình 2.21.Bắt đầu chạy mô phỏng

34

42

Hình 2.22. Kết quả hệ số S11 của anten mô phỏng

35

43

Hình 2.23. Đồ thị bức xạ của anten.

35

5


44
45

Hình 3.1. Hình dạng mặt trước và mặt sau của antenpatch chữ
nhật với f=2.4GHz
Hình 3.2 Hình dạng 3D được thiết kế trên phần mềm

40
40

46

Hình 3.3. Hệ số S11của anten patch chữ nhật với f=2.4GHz

41

47

Hình 3.4. Đồ thị bức xạ và hiệu suất của antencủa anten patch
chữ nhật với f=2.4GHz

41

48

Hình 3.5 Hệ số sóng đứng điện ápcủa anten patch chữ nhật với
f=2.4GHz

42

49

Hình 4.1. Thành phần bức xạ của anten (đơn vị mm)

45

50

Hình 4.2. Trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải

47

51

Hình 4.3. Hình dạng anten vi dải ứng dụng cho Wifi

48

52

Hình 4.4. Hệ số S11 của antenứng dụng cho Wifi

49

53

Hình 4.5. Hệ số sóng đứng điện ápcủa anten ứng dụng cho Wif

50

54

Hình 4.6.Đồ thị bức xạcủa anten ứng dụng cho Wifi

51

6


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay thông tin vô tuyến đã, đang và sẽ ngày càng phát triển mạnh mẽ.
Cùng với sự phát triển đó thì anten- thành phần không thể thiếu trong bất kỳ hệ
thống thông tin vô tuyến nào, cũng ngày càng phát triển và được quan tâm
nghiên cứu để phù hợp với các thiết bị thông tin vô tuyến. Cùng với sự phát triển
thì đã có nhiều anten ra đời đáp ứng được các nhu cầu hiện nay, một trong
những anten có nhiều ưu điểm nổi bật đáp ứng nhu cầu nhỏ gọn, dễ dàng tích
hợp trên các thiết bị đầu cuối là anten vi dải.
Anten vi dải không chỉ thích hợp ứng dụng cho các thiết bị di động mà còn

thích hợp trong các ứng dụng cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless
Local Area Network, WLAN) hoạt động ở các dải tần 2.4 Ghz và 5.2 Ghz.
Với những yêu cầu thực tế trên, em chọn đề tài “Nghiên cứu, tính toán,
thiết kế anten vi dải cho các ứng dụng wifi”. Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết
kế và mô phỏng anten ứng dụng cho WIFI. Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu các
ảnh hưởng của chất nền tới anten vi dải.
Nội dung đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Lý thuyết chung về anten và anten vi dải
Chương 2: Tìm hiểu phần mềm CST STUDIO SUITE 2014.
Chương 3: Thiết kế mô phỏng mẫu anten cơ bản.
Chương 4: Thiết kế và mô phỏng anten vi dải ứng dụng cho WiFi.

7


CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI.
Chương 1 sẽ tìm hiểu các kiến thức sơ lược về khái niệm, các chức năng và mục
đích sử dụng và các thông số cơ bản của anten và anten vi dải. Ngoài ra chương
này sẽ nêu rõ các vấn đề liên quan đến anten vi dải khác như các loại anten vi
dải và các phương pháp cấp nguồn.
1.1 SƠ LƯỢC VỀ
1.1.1 Khái niệm

ANTEN.

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ ra không gian hoặc thu sóng điện
từ từ bên ngoài không gian. Các anten thực tế là tập hợp các ngồn bức xạ
nguyên tố.anten là một bô phận quan trọng không thể thiếu của bất kì hệ thống
vô tuyến nào.mottj hệ thống vô tuyến thông thường bao gồm: máy phát, máy
thu, anten phát và anten thu.

Do thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền lan
tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu và giữa anten phát và thu không thể nối trực tiếp
với máy phát và máy thu mà phải nối với nhau thông qua một đường truyền điện
từ gọi là fidơ. Fidơ có thể là đường truyền vi dải, ống dẫn sóng tròn, cáp đồng
trục.
Yêu cầu của aten và fidơ là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng
với hiệu suất cao nhất và không gây méo tín hiệu.
Nhiệm vụ của anten: chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự
do và ngược lai và còn bức xạ sóng điện từ theo các hướng nhất định theo yêu
cầu đề ra.
1.1.2 Các tham số cơ bản của anten.
1.1.2.1
Hàm tính hướng.
Khi sử dụng anten để xác định vị trí để có thể đặt đúng vị trí anten và để có
thể điều chỉnh hướng anten cho những ứng dụng cụ thể thì ta cần biết anten đó
bức xạ vô hướng hay có hướng, và ở hướng nào anten bức xạ là cực đại, hướng
nào không anten không bức xạ hay bức xạ ít. Muốn vậy ta phải biết tính hướng
của anten đó. Vậy hàm hướng tính là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ

8


trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng
cách không đổi.
Hàm hướng tính là hàm vector phức, bao gồm các thành phần φ và ϴ:
f (θ , ϕ ) = fθ (θ , ϕ ) iθ + fϕ (θ , ϕ ) iϕ
1.1.2.2

Đồ thị phương hướng

Đồ thị phương hướng cho ta cảm nhận được trực thị tính hướng của một
anten, nó được vẽ bởi hàm tính hướng. Đồ thị phương hướng mô tả quan hệ giữa
cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác
nhau với một khoảng cách khảo sát cố định ( tính từ anten). Thông thường, đồ
thị phương hướng thường được biểu diễn ở dạng không gian ba chiều nhưng nó
lại khó thể hiện đầy đủ trên giấy nên thông thường đồ thị phương hướng là một
mặt cắt của đồ thị hướng tính 3 chiều, đó là đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ
tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc.
1.1.2.3

Quá trình bức xạ sóng điện từ bởi một anten.
Khi năng lượng điện từ từ nguồn đưa tới anten, anten sẽ tạo ra điện trường

biến thiên trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này được
lan truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn,
chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, khi ấy các đường sức điện không
còn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không
gian, nghĩa là đã hình thành một điện trường xoáy. Theo quy luật điện trường
xoáy biến thiến thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường
biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành quá trình
tuyền sóng điện từ.
Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten.
Công suất bức xạ là bao gồm cả công suất tổn hao P th và công suất bức xạ

1.1.2.4

Pbx :
PA= Pbx+ Pth

9

(1.1)


Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan

trọng đặc trưng của nó là hiệu suất làm việc. Hiệu suất của anten,

ηA
, chính là tỷ

số giữa cong suất bức xạ, Pbx và công suất máy phát đưa vào anten, (PA )

ηA =

PΣ
P0

(1.2)
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten.
1.1.2.5

Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích của anten.
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ

sóng điện từ đồng đều ở tất cả các hướng.Anten lý tưởng được xem như một
nguồn bức xạ vô hướng hoặc một chấn tử nửa bước sóng.
- Hệ số hướng tính:
Là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách
đã cho so với mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và

khoảng cách như trên, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten giống nhau.
D ( θ1 , ϕ1 ) =

Trong đó:

S (θ1 , ϕ1 )

S (θ1 , ϕ1 )
S0

(1.3)

là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng

(θ1 , ϕ1 )

tại

khoảng cách R.
S0 là mật độ công suất tại hướng và khoảng cách như trên với giả thiết anten bức
xạ đồng đều theo các hướng.
Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định hoặc môt nguồn
nguyên tố nào đó đã biết.
-Hệ số tăng ích:
Là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật
độ công suất của anten chuẩn ở cùng hướng và khoảng cách như trên với điều
kiện công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

10

ε (θ , ϕ ) =

η A .S (θ , ϕ )
= η A .D(θ , ϕ )
S0

(1.4)

Hệ số tăng ích của anten không những chỉ biển thị đặc tính định hướng của
anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên anten.
1.1.2.6

Trở kháng vào của anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu thì anten sẽ trở thành tải của
máy phát và máy thu. Trị số tải này được đặc trưng bởi trở kháng vào của anten.
Trở kháng vào của anten là một đại lượng phức,trong đó thành phần thực nó bao
gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao, thành phần ảo của nó thể hiện
phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài. Nó được xác định bằng tỷ số
giữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào của anten.
Z=

Uv
= Rv + jX v
Iv

(1.5)

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của

anten, điểm tiếp điện và phương pháp tiếp điện.
1.1.3

Các nguồn bức xạ nguyên tố

Các anten phức tạp có thể được xem là tập hợp của các nguồn đơn giản. Vì vậy
nên trước tiên ta sẽ tìm hiểu các nguồn nguyên tố.
1.1.3.1 Đipol điện
Đipôl điện là phần tử dẫn điện thẳng, rất mảnh, có độ dài l rất nhỏ so với
bước sóng (hình 1.1), trên đó có dòng điện mà biên độ và pha ở mọi điểm đều
như nhau.

Hình 1.1. Đipôl điện và hệ trục tạo độ dùng để khảo sát
Các vecto điện trường và từ trường bức xạ của đipôl điện:
11


ikW e
e −ikR − 
I l sin θ
iθ 
4π
R

−

Eϕ = 0


−


Hθ = 0

− ikR −
−
ik e
e

Hϕ =
I l sin θ
iϕ 
4π
R

−

Eθ =

(1.6)

2π

Trong đó: K – hệ số sóng, K =

λ

W – trở kháng sóng của môi trường
Hàm phương hướng của đipôl điện:
−

−

f (θ , ϕ ) = f θ (θ , ϕ ) = WGθe = − WI e l sin θ iθ

(1.7)
Công suất bức xạ của đipôl điện:
Công suất bức xạ của đipôl điện có thể được xác định bằng cách lấy tích
phân giá trị trung bình của vecto mật độ công suất theo một mặt kín u bao quanh
đipôl điện, khi bán kính mặt cầu rất lơn so với bước sóng và đipôl đặt ở tâm mặt
cầu ấy. Khi đấy ta có:
2

2π
2π
E
1
1
*
PΣ = Re ∫ ( E .H ) du = ∫ dϕ ∫ θ R 2 sin θ dθ =
2 u
20
W
0

2

2
πW Ie  1 π 3
πW e 2 1 
=

I  ÷
 ÷∫ sin θ dθ =
4
3
λ 0
λ 

(1.8)

Trong trường hợp đipôl đặt trong không gian tự do thì:
2

PΣ = 40π I
2

Trong đó

λ0

e 2

1
 ÷
 λ0 

là bước sóng trong không gian tự do.
12

(1.9)

1.1.3.2 Đipol từ
Đipôl từ là một phần tử dẫn từ thẳng, rất mảnh, có độ dài l rất nhỏ so với
bước sóng, trên đó có dòng từ với biên độ và pha đồng đều ở tất cả mọi điểm

Hình 1.2. Đipôl từ và hệ trục dùng để khảo sát.
Các vector điện trường và từ trường của đipôl từ


ik m
e − ikR 
Eϕ = −
I l sin θ
iϕ

4π
R

− ikR
ik m
e
Hθ =
I l sin θ
iθ 
4π W
R 

Hθ = 0

Eθ = 0

(1.10)

Đipol từ bức xạ sóng cực hóa thẳng. Đồ thị phương hướng của đipol từ bức xạ
theo hướng vuông góc với trục, bức xạ bằng không theo hướng trục.
Công suất bức xạ của đipôl từ:
2

2
Pe
1 π 1
P = Σ2 = 2 W  ÷ I m
W
W 3 λ 
m
Σ

(1.11)
1.1.3.3 Vòng điện nguyên tố.

13


Vòng điện nguyên tố là một vòng dây dẫn điện có kích thước rất nhỏ so với
bước sóng, trên đó có dòng điện mà biên độ và pha ở mọi điểm đều như nhau.

Hình 1.3. Vòng điện nguyên tố và trục toạ độ dùng để khảo sát.
Trường bức xạ của vòng điện:



WI ve ka
e − ikR 
Eϕ =
J1 ( ka sin θ )
iϕ
2
R 

− I ve ka
e − ikR 
Hθ =
J1 ( ka sin θ )
iθ

2
R

Hϕ = 0

Eθ = 0

(1.12)

Vòng từ nguyên tố là một vòng dây dẫn có kích thước rất nhỏ so với bước
sóng, trên đó có dòng từ mà biên độ và pha ở mọi điểm đều như nhau.
Điện dẫn bức xạ của vòng từ nguyên tố được xác định theo công thức:
8 1 π 3s2
G =
3 W λ4
m

Σv

(1.13)
1.1.4

Phối hợp trở kháng trong anten

Phối hợp trở kháng dựa trên kiến thức về đường dây truyền sóng để sử dụng
trong quá trình thiết kế mạch siêu cao tần.
1.1.4.1Mục tiêuvà ý nghĩa phối hợp trở kháng
- Lấy được công suất cực đại trên tải, giảm thiểu công suất tổn hao trên
đường truyền.
- Đối với các phần tử nhạy thu, phối hợp trở kháng để tăng tỷ số tín hiệu /
nhiễu của hệ thống (anten, LNA, …)
14


- Phối hợp trở kháng trong một mạng phân phối công suất (mạng nuôi
anten mảng) sẽ cho phép giảm biên độ và lỗi pha.
-Nếu công suất anten lớn, nếu không có phối hợp trở kháng tốt thì sóng
phản xạ có thể gây ra hiện tượng đánh lửa làm hỏng đường truyền cũng như
máy phát
1.1.4.2 Các phương pháp phối hợp trở kháng
Có nhiều phương án phối hợp, tuy nhiên cần theo các tiêu chí sau:
+ Độ phức tạp: đơn giản, rẻ, dễ thực hiện, ít hao tổn.
+ Độ rộng băng: cần phối hợp trở kháng tốt trong một dải tần rộng, tuy
nhiên sẽ phức tạp hơn.
+ Lắp đặt: Tùy vào dạng đường truyền hoặc ống dẫn sóng quyết định
phương án phối hợp TK.
• Phối hợp trở kháng dải hẹp

Phối hợp trở kháng dải hẹp là phối hợp trở kháng ở một tần số hay xung
quanh một tần số cố định ở một dải tần hẹp. Đưa vào trong đường truyền các
phần tử thuần kháng làm các phần tử phối hợp nên không gây ra tiêu hao năng
lượng. Đó là các phần tử λ/4 và các phần tử thuần kháng như que dò, tấm chắn
hay Sleypher.
Trong đồ án này em dùng phần tử λ/4 (phần tử λ/4 chính là một đoạn
đường truyền đồng nhất không tiêu hao năng lượng có độ dài bằng ¼ bước sóng
công tác). Dùng phần tử λ/4 mắc vào giữa đường truyền và tải có thể đảm bảo
phối hợp trở kháng sao cho trên đoạn đường truyền từ chỗ biến áp trở về máy
phát không có sóng phản xạ. Về mặt vật lý, điều đó được giải thích là do sóng
phản xạ tại hai đầu nối của phần tử λ/4 sẽ ngược pha nhau, nếu biên độ của các
sóng phản xa này chọn được bằng nhau, chúng sẽ triệt tiêu nhau ở lối vào của
biến áp.
•

Phối hợp trở kháng dải rộng
Phối hợp trở kháng dải rộng là phối hợp trở kháng trên một dải tần rộng.

Các phần tử phối hợp trở kháng được chia làm hai loại: tiêu hao năng lượng và
không tiêu hao năng lượng. Có một số phương pháp: phối hợp dùng tải hấp thụ

15


hay bộ van, phối hợp dùng đoạn đường truyền không đồng nhất, phối hợp dùng
mạch cộng hưởng.
1.2

SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI (Microstrip Antenna).
Năm 1953, Deschamp và năm 1955 Gutton và Baisinot là những người

đưa ra các khái niệm đầu tiên về anten vi dải. Ngày nay anten vi dải ngày càng
phát triển với các ưu điểm nổi trội như khối lượng nhẹ,cấu trúc đơn giản, thể
tích nhỏ…và đã xuất hiện trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong vô tuyến di động.
Hình 1.4. Cấu tạo của anten vi dải

Cấu tạo anten vi dải đơn giản gồm: một Radiating Patch (mặt phẳng bức
xạ) nằm trên Dielectric Substrate (lớp điện môi), phía đối diện với patch là
Ground Plane (mặt phẳng đất).
1.2.1

Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải
Anten vi dải có nhiề ưu điểm và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số

100 MHz- 100GHz.
Anten vi dải có các ưu điểm nổi bật là:
- Dễ chế tạo,kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, cấu trúc phẳng và có nhiều
hình dạng khác nhau.
- Dễ dàng thiết kế anten hoạt động ở nhiều tần số và phân cực kép.
- Dễ dàng có được phần tuyến tính cực và phân cực tròn với các kĩ thuật cấp
nguồn đơn giản.
- Dễ dàng tích hợp với các mạch microwave.
- Mạng phối hợp trở kháng và đường cấp nguồn có thể cùng thiết kế trên
một cấu trúc anten.
- Chi phí sản xuất thấp.
16


Anten vi dải có một số hạn chế:
- Độ lợi thấp (thường nhỏ hơn 10 dB).

- Có băng thông hẹp (thường chỉ từ 0.5% đến 10%).
- Suy hao lớn trong các đường cấp nguồn trong các anten mảng.
- Đa số các anten vi mạch chỉ bực xạ ở 1 nửa không gian.
- Khả năng tản nhiệt của anten kém.
- Có khá nhiều các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các
nút.
Xuất hiện sóng bề mặt.
Khả năng điều khiển điện áp thấp (dưới 100W).
Một số loại anten vi dải thông dụng
Chúng ta có thể thiết kế anten vi dải với nhiều hình dạng và các hướng

1.2.2

khác nhau. Có bốn loại anten vi dải cơ bản là: anten patch vi dải, anten vi
1.2.2.1

dải chạy sóng, anten vi dải lưỡng cực và anten vi dải khe mạch in.
Anten patch vi dải

Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tinh bức xạ của nó.Cấu
tạo anten patch vi dải gồm có 1 mặt phẳng bức xạ với các hình dạng bất kì, có
thể đồng phẳng hoặc không, nằm trên một lớp điện môi có chiều dày h. Phía còn
lại đối diện với lớp điện môi là một màn chắn kim loại.

Hình 1.5: Anten patch vi dải
Có một số hình dạng cơ bản của anten patch: vuông, chữ nhật, tam giác…

17

Hình 1.6. Một số hình dạng thông dụng của anten Patch vi dải

1.2.2.2

Anten khe mạch in.

Anten khe mạch có một khe trên mặt phẳng đất, anten khe có thể được tiếp điện
bằng sóng dẫn phẳng hay đường truyền vi dải. anten khe có nhiều hình dạng và
có một số chính gồm:

1.2.2.3

Hình 1.7: Các hình dạng anten khe mạch in
Anten vi dải lưỡng cực

Về mặt hình học, anten vi dải lưỡng cực chỉ khác anten patch hình chữ nhật ở tỉ
lệ của chiều dài và chiều rộng. Chiều rộng của anten lưỡng cực so với anten
patch thường nhỏ hơn 0.05. Anten lưỡng cực và aten patch có thành phần bức xạ
đều phân bố dòng theo chiều dọc nên khá giống nhau, nhưn lại có băng thông và
điện trở bức xạ rất khác nhau. Anten vi dải lưỡng có nhiều ưu điểm là phân cực

18


tuyến tính, kích thước nhỏ, thích hợp với yêu cầu hoạt động ở tần số cao, khi độ
dày của chất nền lớn.

Hình 1.8: Anten vi dải lưỡng cực
1.2.2.4

Anten vi dải sóng chạy (microstrip traveling-wave antenna: MTA)

Anten vi dải sóng chạy gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi
dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode. Điểm cuối của anten sóng chạy được mắc
một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên
anten.

Hình 1.9: Anten vi dải sóng chạy

Cấu hình

Anten patch vi dài

Anten vi dài khe hở

Mỏng

Mỏng
19

Anten vi dài khe
mạch in
Mỏng


Chế tạo

Rất dễ

Dễ

Dễ

Phân cực

Tuyến tính, tròn

Tuyến tính, tròn

Tuyến tính

Hình dạng

Bất kỳ hình dạng
nào

Đa số hình chữ
nhật hoặc tròn

Hình chữ nhật và
tam giác

Bức xạ nhiễu

Có tồn tại

Có tồn tại

Có tồn tại

Băng thông

2-50%

5-30%

~30%

Bảng 1.1: Bảng so sánh các đặc trưng của các loại anten.
1.2.3
1.2.3.1

Các thông số cơ bản của anten vi dải.
Tần số cộng hưởng, chiều dài và chiều rộng của anten vi dải.
Tần số cộng hưởng của anten vi dải ở mode (m,n) (TMm,n) là:
f m ,n =

2

c
2π ε r

2

 mπ   nπ 

÷ + ÷
 L  W

(1.14)

L: chiều dài
M: chiều rộng
Thường sử dụng mode( 1,0), tần số cộng hưởng sẽ là:
f1,0 =

c 1
 ÷
2 ε reff  L 
(1.15)

c

L=

2 f1,0 ε r

Trong đó:

εr

λd

=

λd
2

(1.16)

: hằng số điện mội của lớp điện môi.

: bước sóng trong lớp điện môi

c: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do.
Do có hiệu ứng viền nên chiều dài của patch sẽ được
kéo dài ra một khoảng

∆l

mỗi bên.

20


∆l = 0.412h

( ε r eff + 0.3) 
( ε r eff

W

+ 0.264 ÷
h


W

− 0.258 )  + 0.8 ÷
 h



(1.17)

ε reff

trong đó

: hằng số điện môi hiệu dụng của lớp điện môi, được cho

bởi công thức:
1

ε reff

ε +1 ε r −1 
h 2
= r
+
1 + 12 ÷
2
2 
W

(1.18)

h: chiều cao tấm patch.
Chiều dài thực tấm patch lúc này là:
Le = L + 2

∆l

(1.19)

Chiều rộng của patch được tính theo công thức để đạt được bức xạ sóng thích
hơp:
W=

c
2 f0

2
εr +1
(1.20)

1.2.3.2

Trở kháng vào của anten vi dải

Sơ đồ tương đương đối với anten nửa bước sóng, như sau:

Hình 1.10. Sơ đồ tương đương của anten vi dải nửa bước sóng.
Điện trở bức xạ mỗi khe sẽ là hàm phụ thuộc với độ rộng W của tấm Patch
và được xác định theo công thức:
RΣ =

120λ0
W

(1.28)

Do phần tử vi dải được biểu diễn như tập hợp của hai khe song song nhau
nên điện trở vào của anten sẽ là:
21


Hình 1.11. Sơ đồ tương đương của anten vi dải phần tư bước sóng
Trở kháng vào của anten phần tư bước sóng sẽ lớn gấp đôi trở kháng vào
của anten nửa bước sóng.
ZV = RΣ =

120λ0
W

(1.29)

Khi tính toán được trở kháng vào ta có thể chọn các phương án phối hợp
trở kháng thích hợp.
1.2.3.3 Băng thông của anten vi dải
Khoảng tần số mà anten vẫn còn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra là băng
thông của anten vi dải. Độ rộng băng thông (BW) thường được xác định thông
qua hệ số sóng đứngcho phép trên khoảng tần số nào đó. Thường các anten vi
dải dùng trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1.
BW =

VSWR − 1
QT VSWR

(1.30)

Trong đó: VSWR: tỉ số sóng đứng

QT: hệ số phẩm chất của anten vi dải.
QT =

(1.31)

.

22


Theo công thức 1.31, BW tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q T của anten. Vì
vậy, để tăng băng thông ta có thể giảm hệ số phẩm chất QT. Ta có thể thay đổi
chiều dày lớp điện môi cũng như hằng số điện môi để có thể đạt được hệ số
phẩm chất mong muốn.

Hình 1.12 Biểu diễn ảnh hưởng của độ dày chất nền và hằng số điện môi
tới băng thông trở kháng.
Theo hình 1.12 băng thông tăng hầu như tuyến tính với chiều dày lớp điện
môi và tăng khi hằng số điện môi giảm.

Hình 1.13. Sự biến đổi của hệ số phẩm chất Q theo hằng số điện môi
chất nền
Sự biến đổi của hệ số phẩm chất Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật
(h = 1.59, W= 0.9L, f= 3 Ghz) theo hằng số điện môi chất nền biểu diễn trong

23


hình 1.8. Q tăng gần như tuyến tính khi tăng

εr

thành phần Patch của anten hình

chữ nhật được mô hình hóa như một tụ có mất mát, việc tăng hệ số Q là do năng
lượng tích trữ tăng và năng lượng bức xạ giảm khi tăng

εr

.

Vậy, để tăng độ rộng băng thông, ta có thể sử dụng lớp điện môi dày, với

hằng số điện môi

εr

thấp. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện

môi là có giới hạn vì khi

h ≥ 0.1λ0

thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm

hiệu suất của anten.
1.2.3.3

Phân cực của anten vi dải

Phân cực của Anten vi dải được chế tạo phân cực tròn hoặc phân cực thẳng.
Phương pháp tiếp điện thích hợp là một trong những phương pháp tạo ra phân
cực này.
Để có phần cực thẳng thì điểm tiếp điện sẽ được đặt giữa một cạnh của tấm
patch.

Hình 1.14. Vị trí tiếp điện để có phân cực thẳng

24


Hình 1.15. Vị trí tiếp điện để có phân cực tròn
Để tạo được trường phân cực tròn ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh
của anten hoặc từ một cổng ta chia ra thành 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là
λ/4.
Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào
nó cũng có thể thu được một thành phần của tín hiệu. Điều đó là do sóng tới có
góc quay biến đổi. Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ
WLAN ở môi trường truyền sóng phức tạp.
1.2.3.4Độđịnh hướng của anten vi dải
Độđịnh hướng là một trong những hệ số chất lượng quan trọng đối với mỗi
loại anten và được định nghĩa như sau:
D0 =

U max 4π U max
=
U0
PRad
(1.32)

Trong đó: Prad : Công suất bức xạ
Umax : Mật độ bức xạ lớn nhất.
-

Với trường hợp khe đơn: sử dụngđiện trường thì mât độ bức xạ lớn nhất
vậy nên độđịnh hướng của một khe đơn là:
2
 2π W  1
D0 = 
÷
 λ 0  I1

(1.33)

2

  k0W

 sin  2 cos θ ÷
  sin3θ dθ
I1 = ∫  
cos θ

0 


π

Trong đó:
(1.34)

1.2.4 Các phương pháp cấp nguồn cho anten vi dải
Các phương pháp cấp nguồn cho anten vi dảithường dùng nhất là: cấp
nguồn bằng cáp đồng , cấp nguồn trụcbằng đường truyền vi dải, cấp nguồn bằng
phương pháp ghép gần, cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe. Việc cấp
nguồn phụ thuộc vao nhiều yếu tố, yếu tố quan trọng nhất là phải có sư phối hợp
25