Thiết kế chế tạo anten cho hệ thống thông tin vô tuyến nhiều phát nhiều thu

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................4
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................8
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI ...............................................11
1.1 Giới thiệu về anten vi dải .................................................................................11
1.2 Các ưu điểm và hạn chế của anten vi dải.........................................................11
1.3 Cấu trúc cơ bản của anten vi dải ......................................................................12
1.4 Cơ chế bức xạ của anten vi dải ........................................................................14
1.5 Các phương pháp tiếp điện ..............................................................................15
1.5.1 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục ...............................................................15
1.5.2 Tiếp điện bằng đường vi dải ......................................................................16
1.5.3 Ghép nối điện từ ........................................................................................17
1.5.4 Ghép nối qua khe .......................................................................................18
1.5.5 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng ................................................19
1.6

Các loại anten vi dải thông dụng .................................................................21

1.6.1 Anten vi dải dạng tấm ( Microstrip Patch Antenna) .................................21
1.6.2 Anten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna) ....................................21
1.6.3. Anten khe vi dải (Print Slot Antenna) ......................................................22
1.6.4. Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna)...............23
1.6.5.

Anten vi dải đơn cực (Printed Monopoles Antenna) ............................23

1.6.6 Anten phẳng PIFA (Planar Inverted F Antenna) .......................................27
1.7 Kết luận ............................................................................................................30

1


CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ANTEN TỰ CẤU HÌNH ................................31
2.1 Giới thiệu chung về anten tự cấu hình .............................................................31
2.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình ......................................................................32
2.3 Phân loại anten tự cấu hình ..............................................................................32
2.3.1 Khả năng tự cấu hình về tần số .................................................................32
2.3.2 Khả năng tự cấu hình về đồ thị bức xạ ......................................................33
2.3.3 Khả năng tự cấu hình phân cực .................................................................33
2.4 Một số kỹ thuật chuyển mạch thông dụng .......................................................33
2.4.1 Bộ chuyển mạch PIN diode .......................................................................33
2.4.2. Bộ chuyển mạch diode biến dung ............................................................35
2.4.3 Hệ vi cơ điện tử MEMS ............................................................................36
2.5 Các nguyên lý thiết kế cơ bản ..........................................................................37
2.6 Một số mẫu anten tự cấu hình ..........................................................................38
2.6.1 Anten tự cấu hình sử dụng các bộ chuyển mạch (nhóm 1) .......................38
2.6.2 Anten tự cấu hình sử dụng tụ điện hoặc biến dung ( nhóm 2) ..................43
2.6.3 Anten tự cấu hình sử dụng sự thay đổi góc vật lý (nhóm 3) .....................44
2.6.4 Anten sử dụng mạng tiếp điện có khả năng cấu hình lại (nhóm 4) ...........45
2.7 Một vài thiết kế mới anten tự cấu hình ............................................................46
2.7.1 Anten tự cấu hình dựa trên tiếp điện quay ................................................46
2.7.1.1 Cấu trúc và thuộc tính của anten .........................................................46
2.7.1.2 Thiết kế anten tự cấu hình ...................................................................47
2.7.1.3 Điều khiển tiến trình quay...................................................................49
2.7.2 Anten tự cấu hình dạng hình sao ...............................................................49
2.7.2.1 Cấu trúc anten .....................................................................................49

2

2.7.2.2 Sự cấu hình lại của anten ....................................................................50
2.8 Kết luận ............................................................................................................52
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI TỰ CẤU HÌNH
THEO TẦN SỐ .......................................................................................................53
3.1 Giới thiệu chung ..............................................................................................53
3.1.1

Thiết kế, mô phỏng anten vi dải monopole-C tự cấu hình theo tần số .53

3.1.2

Mô hình thiết kế mô phỏng ...................................................................53

3.1.3

Tối ưu và kết quả mô phỏng .................................................................56

3.1.3.1 Kết quả mô phỏng khi PIN diode phân cực thuận (Trạng thái
ON)……………..............................................................................................57
3.1.3.2 Kết quả mô phỏng khi PIN diode phân cực ngược (Trạng thái
OFF)…………. ...............................................................................................58
3.2

Thiết kế, mô phỏng anten PIFA tự cấu hình theo tần số .............................60

3.2.1

Mô hình thiết kế mô phỏng ...................................................................60

3.2.2

Tối ưu và kết quả mô phỏng .................................................................61

3.3

Kết luận........................................................................................................67

KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Anten vi dải hình chữ nhật [1] ...................................................................13
Hình 1.2. Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải [1] ...............14
Hình 1.3. Minh họa trường biên của anten vi dải hình chữ nhật [1] .........................15
Hình 1.4 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục [1] ..........................................................16
Hình 1.5 Tiếp điện bằng đường vi dải [1] .................................................................16
Hình 1.6 Tiếp điện bằng ghép nối gần [2] ................................................................18
Hình 1.7 Ghép nối qua khe [3] ..................................................................................19
Hình 1.8 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng [2] ............................................19
Hình 1.9 Ống dẫn sóng đồng trục [2] ........................................................................19
Hình 1.10 Một số hình dạng của phiến kim loại [1] ...............................................21
Hình 1.11 Cấu trúc anten dipole mạch dải [4] .........................................................22
Hình 1.12 Các dạng cơ bản của anten khe vi dải [4] ................................................23
Hình 1.13 Các dạng cơ bản của anten vi dải sóng chạy [4] ......................................23
Hình 1.14 Mô hình anten đơn cực vi dải đơn giản [5] ..............................................26
Hình 1.15 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ L [5] ..................................................26

Hình 1.16 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ C [5] ..................................................26
Hình 1.17 Anten IFA [6] ...........................................................................................27
Hình 1.18 Anten PIFA [6] .........................................................................................29
Hình 2.1. PIN diode [14] ...........................................................................................34
Hình 2.2. Ký hiệu mạch điện của PIN diode [14] .....................................................34
Hình 2.3. Điốt phân cực thuận (trạng thái ON) [14] .................................................35
Hình 2.4. Điốt phân cực ngược (trạng thái OFF) [14] ..............................................35
Hình 2.5 Điốt biến dung/Điốt varicap [14] ...............................................................35

4


Hình 2.6. Mặt các ngang của bộ chuyển mạch điện dung MEMS được thực hiện
trong NXP [19] ..........................................................................................................37
Hình 2.7. Khe hình vành khuyên được tích hợp với hai cánh tay của hai thiết bị
truyền động MEMS [20] ...........................................................................................37
Hình 2.8 Anten tự cấu hình gồm các ô bức xạ được kết nối bởi các bộ chuyển mạch
RF MEMS cấu hình mở [21].....................................................................................39
Hình 2.9 Cấu hình của anten hoạt động ở 2 tần số khác nhau [21] ..........................39
Hình2.10 Anten Yagi tự cấu hình [22]......................................................................40
Hình 2.11 Anten nhiều phần với các bộ chuyển mạch được sử dụng để thay đổi
chiều dài đoạn xoắn ốc [22] ......................................................................................40
Hình 2.12 Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức [22] ......................41
Hình 2.13 Anten hai băng tần sử dụng RF MEMS [22] ..........................................42
Hình 2.14 Anten khe hình vành khăn sử dụng PIN diode [23] ................................42
Hình 2.15 Anten PIFA sử dụng diode biến dung [24] ..............................................44
Hình 2.16 Anten có thể được uốn cong nhờ từ trường ngoài [22] ............................44
Hình 2.17 Anten với vị trí tiếp điện có thể thay đổi [22] ..........................................45
Hình 2.18 Anten với mạch tiếp điện cấu hình lại được [22] .....................................46
Hình 2.19 Cấu trúc anten với các khe [22] ...............................................................47

Hình 2.20 Hệ số VSWR cho 3 vị trí khác nhau của khe [22] ...................................47
Hình 2.21 Mặt trước và sau của mẫu anten [22] .......................................................48
Hình 2.22 Vị trí của các khe trên khối trụ [22] .........................................................48
Hình 2.23 So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo đạc ..................................49
của tổn hao ngược [22] ..............................................................................................49
Hình 2.24 Cấu trúc anten dạng hình sao [22] ...........................................................50
Hình 2.25 Vị trí các bộ chuyển mạch [22] ................................................................50
Hình 2.26 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch hở ở 2.8GHz [22] ..........51
5


Hình 2.27 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch đóng ở 2.8GHz [22] ......51
Hình 2.28 So sánh suy hao ngược với các cấu hình khác nhau của anten [22] ........52
Hình 3.1 Cấu trúc anten monople-C tự cấu hình theo tần số [5] ..............................54
Hình 3.2 Mô hình mô phỏng anten với bộ chuyển mạch điốt PIN ...........................56
Hình 3.3 Tổn hao ngược S11 của anten khi PIN diode phân cực thuận ...................57
Hình 3.4 Trở kháng Z0 của anten khi PIN diode phân cực thuận .............................57
Hình 3.5 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại 2.158 GHz khi PIN diode phân cực thuận
...................................................................................................................................57
Hình 3.6 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại 2.158 GHz khi PIN diode phân cực thuận
...................................................................................................................................58
Hình 3.7 Tổn hao ngược S11 của anten khi PIN diode phân cực ngược .................58
Hình 3.8 Trở kháng Z0 của anten khi PIN diode phân cực ngược ............................59
Hình 3.9 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 2.5 GHz khi PIN diode phân cực
ngược .........................................................................................................................59
Hình 3.10 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tần số 2.5 GHz khi PIN diode phân cực
ngược .........................................................................................................................59
Hình 3.11 Anten PIFA ..............................................................................................61
Hình 3.12 Mô hình mô phỏng anten PIFA với diode biến dung ..............................62
Hình 3.13 Tổn hao ngược của anten khi điện dung của diode C=2pF .....................63

Hình 3.14 Tổn hao ngược của anten khi điện dung của diode C=7pF .....................63
Hình 3.15 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 1.75742 GHz (C=7pF) .................64
Hình 3.16 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 3.3 GHz (C=7pF) .........................64
Hình 3.17 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 1.730 GHz (C=2pF) .....................65
Hình 3.18 Đồ thị bức xạ 3D của anten tại tần số 3.3 GHz (C=2pF) .........................65
Hình 3.19 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 1.57542 GHz (C=7pF) .................65
Hình 3.20 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 3.3 GHz (C=7pF) .........................66
6


Hình 3.21 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 1.730 GHz (C=2pF) .....................66
Hình 3.22 Đồ thị bức xạ 2D của anten tại tấn số 1.57542 GHz (C=2pF) .................66

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các băng tần chuẩn cho ứng dụng không dây ...........................................54
Bảng 3.2. Các kích thước của anten monopole-C tự cấu hình ..................................55
Bảng 3.3 Các kích thước của anten monopole-C được mô phỏng ...........................56
Bảng 3.4. Kích thước anten PIFA được sử dụng để mô phỏng ................................61
Bảng 3.5 Kích thước anten sau khi đã tối ưu ............................................................62
Bảng 3.6. Kết quả thu được từ mô phỏng anten PIFA tự cấu hình ...........................63

8


MỞ ĐẦU
Trong các hệ thống viễn thông ngày nay, các thiết bị di động ngày càng được
thu nhỏ về kích thước, đồng thời cũng được tích hợp ngày càng nhiều chức năng

phục vụ cho nhiều mục đích. Việc nghiên cứu chế tạo các anten có nhiều thuộc tính
bức xạ khác nhau, hoạt động được trong nhiều dải tần khác nhau sẽ góp phần giảm
nhỏ kích thước cho các thiết bị này. Các anten tự cấu hình với khả năng hiệu chỉnh
tần số bức xạ, thay đổi sự phân cực và điều chỉnh đồ thị bức xạ, đã được nghiên cứu
phát triển ngày càng rộng rãi. Với sự đa dạng của anten tự cấu hình đã tạo ra một
tầm nhìn mới cho các loại ứng dụng khác nhau, đặc biệt trong ứng dụng vô tuyến
nhận thức, các hệ thống nhiều phát nhiều thu, các hệ thống vệ tinh, và nhiều ứng
dụng khác.
Cho đến nay, các anten tự cấu hình đã được chế tạo bằng nhiều kỹ
thuật khác nhau. Kỹ thuật thông dụng nhất được sử dụng đó là kỹ thuật chuyển
mạch. Bằng việc kết hợp các bộ chuyển mạch có độ cách ly cao, suy hao thấp như
các bộ chuyển mạch MEMS hoặc PIN diode với các thành phần anten tương thích,
chúng ta có thể cấu hình lại anten và cấu trúc tiếp điện của anten, tạo nên tính đa
dạng trong phân cực và tần số. Các kỹ thuật khác là sự kết hợp của biến dung, diode
biến dung và sự thay đổi cơ cấu vật lý để vượt qua những khó khăn trong việc sử
dụng bộ chuyển mạch và điều khiển chúng.
Mục đích của luận văn là tìm hiểu về công nghệ chế tạo anten tự cấu hình từ
đó đề xuất thiết kế mô phỏng và chế tạo thử nghiệm anen vi dải tự cấu hình. Trong
luận văn này tập trung vào nghiên cứu thiết kế anten tự cấu hình theo tần số với
công nghệ vi dải sử dụng kỹ thuật chuyển mạch bằng PIN diode và diode biến dung.
Luận văn được trình bày thành ba chương, chương một giới thiệu lý thuyết về anten
vi dải, chương thứ 2 là giới thiệu tổng quan về anten tự cấu hình và các bộ chuyển
mạch được sử dụng, chương cuối cùng là phần thiết kế mô phỏng và chế tạo thử
nghiệm hai mẫu anten tự cấu hình (anten monopole-C và PIFA) sử dụng hai bộ
chuyển mach khác nhau (PIN diode và diode biến dung). Kết quả mô phỏng cho

9


thấy hai mẫu anten này có thể được sử dụng trong nhiểu ứng dụng khác nhau như:

GPS, GSM1800, WiMax, UTMS, WLAN.

10


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI
1.1 Giới thiệu về anten vi dải
Khái niệm về anten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu tiên
được đề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20 năm sau
người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế. Trong suốt những năm 1970, sự phát
triển được tăng tốc bởi sự sẵn có của các vật liệu nền có đặc tính tốt, bởi các mô
hình lý thuyết tốt hơn và kĩ thuật chế tạo được cải tiến. Những anten vi dải đầu tiên
được phát triển bởi Howell và Munson. Từ sau đó các nghiên cứu và phát triển mở
rộng của các anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi thế của chúng như là kích
thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp .v.v, đã làm đa dạng hóa
các ứng dụng của chúng.
1.2 Các ƣu điểm và hạn chế của anten vi dải
Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten truyền thống. Sau đây là các
ưu điểm chính của anten vi dải so với anten truyền thống:
 Kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay.
 Giá thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in.
 Dễ dàng tích hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm
điện môi.
 Có đặc tính linh động: khi hình dạng của tấm bức xạ và các thông số khác
(kích thước, chất liệu điện môi…) được chọn khác nhau thì dẫn tới các đặc
tính đặc trưng cho anten như tần số cộng hưởng, sự phân cực, đồ thị phương
hướng, băng thông …cũng thay đổi mạnh. Điều này dẫn tới anten vi dải có
thể thích hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
 Khả năng tạo ra phân cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ
thay đổi cách tiếp điện, hình dạng của anten.

 Các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể chế tạo đồng thời
với cấu trúc anten.
 Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế:
 Băng hẹp.

11


 Hiệu suất bức xạ thấp.
 Công suất bé.
 Độ tăng ích thấp.
 Hầu hết anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian trên mặt phẳng
đất.
 Khó có thể đạt được sự phân cực thuần.
 Sự bức xạ do các mối nối và tiếp điện.
 Kích thích sóng bề mặt.
Các anten vi dải có hệ số phẩm chất Q rất cao. Q thể hiện cho sự tổn hao liên
quan đến anten, Q lớn dẫn đến băng thông hẹp và hiệu suất thấp. Q có thể giảm bởi
việc tăng chiều dày của tấm điện môi. Nhưng khi chiều dày tăng, tăng một phần
công suất tổng được cung cấp bởi nguồn đi vào trong sóng bề mặt. Sự đóng góp
sóng bề mặt này có thể được tính như một sự tổn hao công suất không mong muốn,
và là nguyên nhân gây nên suy giảm các đặc tính của anten. Tuy nhiên, các sóng bề
mặt có thể nhỏ nhất bởi việc sử dụng các cấu trúc photonic bandgap. Các vấn đề
khác như độ tăng ích thấp và khả năng điều khiển công suất thấp có thể khắc phục
bởi việc sử dụng cấu hình mảng cho các phần tử.
1.3 Cấu trúc cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng vá bức xạ
nhỏ (hay còn gọi là tấm bức xạ) nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và mặt
phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi.
Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L. Giống như nguyên tắc bức xạ

của anten nửa sóng, độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe/2 ở đây λe độ dài bước sóng
hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi. Hình 1.1 mô tả một anten vi dải có
tấm bức xạ hình chữ nhật và tiếp điện bằng đường vi dải.

12


Hình 1.1 Anten vi dải hình chữ nhật [1]
Đối với anten vi dải hình chữ nhât, các kích thước tấm bức xạ của anten
được xác định theo công thức cơ bản:
W

Với

=3*108m/s,

C0
2 fr

2
r 1

(1.1)

=4.7

Với W/h>1

 eff 

 r  1  r 1
2

h
1  10 
2 
W





1
2

(1.2)

Độ dài ∆L ảnh hưởng của hiệu ứng đường viền ta có:

L  0.412



eff



eff

W


 0.3   0.264 
 h

W


 0.258    0.8 
 h


(1.3)

Chiều dài hiệu dụng Leff được tính như sau:

Leff 

c

(1.4)

2 f r  reff

Khi đó, chiều dài thực của miếng vá patch sẽ là:
13


L  Leff  2L

(1.5)

Có nhiều loại tấm điện môi có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và
hằng số điện môi của chúng thường trong dải 2.2

≤ 12. Với việc sử dụng tấm

điện môi dày, hằng số điện môi thấp sẽ cho anten có đặc tính tốt với hiệu suất bức
xạ tốt, băng thông rộng hơn, tuy nhiên sẽ làm tăng kích thước của anten. Với việc
sử dụng tấm điện môi có hằng số điện môi cao hơn sẽ làm giảm kích thước của
anten tuy nhiên sẽ có suy hao lớn hơn, và hiệu suất bức xạ nhỏ hơn, băng thông nhỏ
hơn.
1.4 Cơ chế bức xạ của anten vi dải
Sự bức xạ của anten vi dải được xác định bởi sự phân bố trường giữa miếng
vá kim loại (patch) và mặt phẳng đất. Điều này cũng có thể được mô tả như sự phân
bố dòng điện trên bề mặt miếng vá kim loại. Khi miếng vá kim loại được tiếp điện,
sẽ có sự phân bố điện tích lên mặt trên và mặt dưới của miếng vá kim loại và mặt
phẳng đất. Sự phân bố điện trường của từ trường ngang mode TM10 của các anten
vi dải hình chữ nhật được chỉ ra trong hình 1.2.

Hình 1.2. Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải [1]
Lực đẩy của các điện tích ở bề mặt dưới của tấm vá kim loại đẩy một vài
điện tích xung quanh ở phía cạnh lên mặt trên của tấm vá kim loại, và do đó gây ra
mật độ dòng điện Jb và Js. Tỉ số h/W rất nhỏ, do đó lực hút mạnh mẽ giữa các điện
tích trái dấu sẽ gây ra hầu hết sự tập trung điện tích và dòng điện ở phía dưới tấm vá
kim loại. Nhưng lực đẩy giữa các điện tích dương tạo mật độ điện tích lớn xung
quanh các mép biên. Các trường biên được tạo bởi các điện tích này chịu trách

14

nhiệm bức xạ năng lượng ra không gian. Hình 1.3 biểu diễn các trường biên trong
anten vi dải.

Hình 1.3. Minh họa trường biên của anten vi dải hình chữ nhật [1]
Điện trường hầu như không đổi dọc theo chiều rộng W và đảo pha dọc theo
chiều dài L của miếng vá. Anten vi dải hình chữ nhật có thể được coi như có hai
khe bức xạ song song cách nhau bởi chiều dài L, thông thường L bằng nửa bước
sóng. Tổng các trường biên từ hai khe triệt tiêu lẫn nhau dọc theo biên của anten vi
dải nửa bước sóng khi chúng có cùng biên độ và lệch pha 180 độ.
1.5 Các phƣơng pháp tiếp điện
Phương pháp tiếp điện cho anten vi dải rất đa dạng. Anten vi dải có thể được
tiếp điện trực tiếp bằng đầu dò đồng trục hoặc bằng đường vi dải. Nó cũng có thể
được tiếp điện gián tiếp bằng việc sử dụng ghép nối điện từ trường, hoặc ghép nối
qua khe, hoặc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng, theo cách tiếp điện này
không có sự tiếp xúc kim loại trực tiếp giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ. Kĩ thuật
tiếp điện ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào và đặc tính của anten, và nó cũng là một
thông số thiết kế quan trọng.
1.5.1 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục
Đầu nối đồng trục được hàn vào phiến kim loại như hình dưới và đục xuyên
qua lớp điện môi, đầu ra ở mặt kia của lớp điện môi, tức tấm bức xạ và được cắm
vào một connector thường có trở kháng 50 ohm.Ưu điểm của phương pháp này là
đầu dò có thể đặt ở bất kì vị trí nào trong vùng diện tích của phiến kim loại bức xạ
và do đó dễ dàng điều chỉnh trở kháng vào của anten. Nhược điểm là cần phải đục
lỗ qua đế điện môi, mặt khác phần mối nối sẽ trồi lên tấm bức xạ và làm mất tính
phẳng của tấm bức xạ (ảnh hướng nhiều tới sự bức xạ, khó phân tích và đưa ra lời

15


giải cho mô hình bức xạ chính xác vì nó làm điều kiện biên trở nên rất phức tạp).

Đồng thời, vị trí bất kì của đầu nối đồng trục (để đạt được trở kháng vào mong
muốn) cũng làm mất tính đối xứng của antenna và do đó làm mất đi tính đối xứng
của đồ thị phương hướng

Hình 1.4 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục [1]
1.5.2 Tiếp điện bằng đƣờng vi dải
Thuận lợi của phương pháp này là đường vi dải có thể được khắc lên cùng
một tấm điện môi với tấm bức xạ do đó vẫn giữ được cấu trúc phẳng của anten.
Nhược điểm của phương pháp này là bức xạ từ đường tiếp điện làm ảnh hưởng tới
trường bức xạ của anten, đặc biệt là khi kích thước của đường tiếp điện là lớn so với
kích thước của tấm bức xạ.

Hình 1.5 Tiếp điện bằng đường vi dải [1]
Từ bề dày và hằng số điện môi của tấm nền và độ rộng của đường vi dải ta
có thể xác định được trở kháng đặc trưng của đường vi dải [1]:

16



60
 8h w 
ln    , w / h  1

 eff  w 4h 


Z0  
120
w

, 1

   w  1.393  0.667 ln( w  1.444  h

 eff  h
h


Với

(1.6)

là hằng số điện môi hiệu dụng:



 1 r 1
 r

eff
2
2

1
12h
1
w

(1.7)

Ngược lại, với trở kháng đặc trưng cho trước ta có thể xác định độ rộng của
đường vi dải:
 8e A
,w / h  2
 2A
w  e 2

h 2 
r 1 
0.61 
ln ln  B  1  0.39 
 , w / h  2
 B  1  ln ln  2 B  1 
 
2 r 
 r 


(1.8)

Với:

Z  1  1
0.11
A 0 r
 r (0.23 
)
60
2
 r 1

r
B

377
2Z 0  r

(1.9)
(1.20)

Các tấm điện môi dày thường được dùng để làm tăng băng thông tuy nhiên
trong cả hai phương pháp trên sẽ gặp phải khó khăn. Đối với tiếp điện bằng đầu dò
đồng trục, việc tăng chiều dài đầu dò sẽ làm tăng cảm kháng dẫn đến khó khăn
trong việc tiếp điện. Đối với tiếp điện bằng đường vi dải, việc tăng độ dày tấm nền
kéo theo sự tăng bề rộng của đường vi dải, làm tăng bức xạ không mong muốn từ
đường tiếp điện.
1.5.3 Ghép nối điện từ
Trong phương pháp này, đường tiếp điện vi dải nằm ở giữa phiến kim loại
bức xạ và tấm bức xạ. Ngăn cách giữa đường tiếp điện và hai thành phần nói trên là
17


hai tấm điện môi có thể có hằng số điện môi khác nhau: một cho phiến kim loại và
một cho đường tiếp điện vi dải; hai tấm điện môi này có thể được chọn để nâng cao
hiệu năng cho từng thành phần (tấm hoặc đường tiếp điện) và từ đó nâng cao hiệu
năng cho toàn bộ anten. Nhược điểm của phương pháp này là hai lớp cần được bố
trí hợp lý (ví dụ, đường tiếp điện cần nằm giữa tấm bức xạ để tạo nên đồ thị phương
hướng đối xứng) và do có hai lớp nên độ dày của anten tăng lên. Phương pháp tiếp
điện này được thể hiện ở hình sau:

Hình 1.6 Tiếp điện bằng ghép nối gần [2]

1.5.4 Ghép nối qua khe
Một phương pháp tiếp điện gián tiếp khác là sử dụng ghép nối khe. Trong
phương pháp này, trường được ghép cặp từ đường tiếp điện vi dải đến tấm bức xạ
thông qua một khe nhỏ bị cắt trong mặt phẳng đất, như hình 1.7. Khe ghép thường
nằm ở trung tâm phía dưới tấm bức xạ làm giảm phân cực ngang do tính đối xứng.
Hình dạng, kích thước, vị trí của khe quyết định lượng kết nối từ đường tiếp điện vi
dải đến tấm bức xạ. Khe kết nối thường đủ nhỏ, làm tăng băng thông, đồng thời
cũng giảm sự bức xạ ra phía sau. Các tham số của hai tấm nền có thể được chọn
riêng rẽ để tối ưu hiệu suất của anten.

18


Hình 1.7 Ghép nối qua khe [3]
1.5.5 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng
Trong phương pháp này ống dẫn sóng đồng phẳng được khắc vào mặt phẳng
đất của anten vi dải.

Hình 1.8 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng [2]
Ống dẫn sóng đồng trục được thiết kế có trở kháng đặc trưng là Z0 Ω.

Hình 1.9 Ống dẫn sóng đồng trục [2]
Với giả thiết t rất nhỏ, và h>>w, trong đó t là bề dày tấm kim loại, h bề dày
tấm điện môi, k=w/(w+2s), w là độ rộng dải trung tâm, s độ rộng khe, εr hằng số
điện môi tương đối của tấm điện môi.

19


Z0 

30
K (k ')
Ω
( r  1) / 2 K (k )

(1.21)

k '  1 k 2

(1.22)

Với tấm cách điện có độ dày hữu hạn ta có công thức:
Z0 

30 K (k ')
 re K (k )

 re  1 
k1 

(1.23)

( r  1) K (k ') K (k1 )
2
K (k ) K (k '1 )

sinh( W / 4h)





sin h  W  2S   / 4h

k '1  1  k12

(1.24)
(1.25)

(1.26)

Ta có công thức tổng hợp độ rộng dải trung tâm W [1] khi thỏa mãn điều
kiện:
S
10

H 3(1  ln  r )

(1.27)

W
80

H 3(1  ln  r )

(1.28)

W  S x G  r , H, Z0 , S

(1.29)

Trong đó




 
0
  1 exp   0   exp    0   1 with : Z 0 




 4
2( r  1)
 4  re Z 0 
 4  re Z 0  

G
1

1

Z0 1 
0
   with : Z 0 

 exp  2  re
0 2  

2( r  1)


 8

(1.30)

Với hằng só điện môi hiệu dụng có công thức là:

 re   re  r , H , Z0 , S   A B

20

(1.31)


A  1  2( r  1)  r  1

Z 0 K (k )
0 K (k ' )

2



5
 0 


S 

S    

r

B  cos h
 exp 1  0.0016 0 Z 0  ln  0.6    
6
H 
H   
 4  r  1  Z 0 





  1  g  S 
 S 
  exp 


2H
 2H 


  1  g  S 
max 
  1

2
H




(1.32)
1

(1.33)

exp 
k

(1.34)

Với:
g  G ( re

K k  

 /2


0

r 1
2

, H , Z0 , S )

d
1  k 2 sin 2 

1


0

và 0  120 Ω
dt

1  t 2  (1  k 2t 2

(1.35)

1.6 Các loại anten vi dải thông dụng
1.6.1 Anten vi dải dạng tấm ( Microstrip Patch Antenna)
Anten vi dải dạng tấm gồm có tấm dẫn điện trên một tấm điện môi. Tấm dẫn
điện có thể nhiều hình dạng khác nhau. Hình sau mô tả một số dạng đơn giản của
anten vi dải dạng tấm.

Hình 1.10 Một số hình dạng của phiến kim loại [1]
1.6.2 Anten lƣỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna)

21


Anten lưỡng cực vi dải gồm có các tấm dẫn điện giống như anten mạch dải
dạng tấm tuy nhiên anten lưỡng cực vi dải gồm có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của
tấm điện môi.

Hình 1.11 Cấu trúc anten dipole mạch dải [4]

1.6.3. Anten khe vi dải (Print Slot Antenna)
Anten khe vi dải gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất. Khe có thể có bất cứ
hình dạng nào giống như của anten dạng tấm.

22


Hình 1.12 Các dạng cơ bản của anten khe vi dải [4]
1.6.4. Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna)

Hình 1.13 Các dạng cơ bản của anten vi dải sóng chạy [4]
1.6.5. Anten vi dải đơn cực (Printed Monopoles Antenna)

23


Anten đơn cực có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, điều này chủ yếu được
xây dựng bởi cánh tay dẫn điện đơn giản chiều dài L nằm trên mặt phẳng dẫn điện.
Để hiểu về anten đơn cực, đầu tiên chúng ta sẽ xem lại các khái niệm cơ bản của
anten lưỡng cực (dipole), đặc biệt dipole có

.

Theo [1], công suất bức xạ có thể được tính toán theo phương trình (1.36) mà
có thể thu được từ mật độ công suất của anten.

Prad  

I0

2

8

C  ln 2  Ci (2 )

(1.36)

Trong đó, I0 là dòng nguồn, C là hằng số không đổi C=0.5772, η là hiệu suất,
và

có thể thu được từ phương trình (1.37):
cos y
dy

y

Ci ( x)  

x

(1.37)

Mật độ bức xạ có thể được viết như trong biểu thức (1.38), và do đó hệ số
định hướng lớn nhất của dipole nửa bước sóng được biểu diễn trong biểu thức
(1.39).

U 

2

I0
8

2

sin 3 

(1.38)

U| 

U max
2
D0  4
 4
 1.643
Prad
Prad

(1.39)

Trở kháng đầu vào điển hình của dipole nửa bước sóng xung quanh giá trị
Zin  73  j 42.5 , do đó để ước lượng phần ảo của trở kháng (điện kháng X), dipole

bị ngắt mạch, vì vậy sự cổng hưởng đầu tiên thu được với dipole có L  0.47 đến
L  0.48 . Điện trở bức xạ thu được từ biểu thức (1.40):

Rr 

2Prad
I0

2




C  ln 2  Ci (2 )  73
4

(1.40)

Dựa vào thuyết ảnh [1], cấu trúc anten đơn cực monopole với chiều dài bằng
nửa chiều dài của anten lưỡng cực diopole, sẽ có hệ số định hướng lớn nhất của
anten đơn cực bằng 2 lần hệ số định hướng lớn nhất của anten lưỡng cực và trở

24


kháng đầu vào của anten đơn cực bằng một nửa trở kháng đầu vào của anten lưỡng
cực.
Z in ( monopole ) 

1
Z
 36.5  j 21.25
2 in ( dipole )

(1.41)

Khi xem xét thiết kế anten lưỡng cực hay đơn cực, thông thường, trở kháng
đầu vào được xác định trước và do đó bước đầu tiên là xác định chiều dài của phần
tử. Nó được chỉ ra trong [1] mà có thể xác định được chiều dài một cách dễ dàng
sau một vài bước được chỉ ra trong (1.42) và (1.43). Đầu tiên hệ số khuếch đại G
được xác định:
Gdipole 

KL
2

(1.42)

Gmonopole  KL

Trong đó k là hằng số sóng, k    

2



do đó điện trở đầu vào của anten lưỡng

cực dipole được tính theo công thức sau:
 Rin  20G 2 ,
0L 4

2.5
 4L 2
 Rin  24.7G ,

4.17
 R  11.14G ,  2  L  0.06366
 in

(1.43)

Trong khi trở kháng đầu vào của anten đơn cực bằng một nửa giá trị đó.
Ví dụ, để tính toán chiều dài của anten đơn cực với trở kháng đặc tính 50Ω, tần số
cộng hưởng 1GHz, và xem xét không khí như môi trường, với  / 4  L   / 2 ta
tính được G và L như sau:

Gmonopole  2.5

Rin
 1.75
12.35

Gmonopole  KL  L 

Gmonopole
 0.278
2

(1.44)
(1.45)



Hình 1.14, hình 1.15 và hình 1.16 là ba loại anten đơn cực vi dải đã được
nghiên cứu và thiết kế mô phỏng thử nghiệm [5].

25