THIẾT kế CHỂ tạo ANTEN VI dải làm VIỆC ở tần sô 1 5 GHz

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...............................................................................................................2
CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI....................................3
1.1. Cấu tạo...................................................................................................... 3
1.2. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải ....................................................3
1.3. Các loại anten vi dải..................................................................................4
1.4. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải...................................................5
1.4.1. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải..................................................5
1.4.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục...........................................................6
1.5. Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten....................................................7
1.6. Phương pháp cải thiện các thông số của anten vi dải................................8
1.6.1. Phương pháp tạo dị tật trên mặt đất DGS.........................................8
1.6.2. Ứng dụng của DGS trong thiết kế mạch vi dải..............................10
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHỂ TẠO ANTEN VI DẢI LÀM VIỆC Ở TẦN SÔ
1.5GHz.................................................................................................................11
2.1 Yêu cầu kỹ thuật.......................................................................................11
2.2 Thiết kế anten...........................................................................................11
2.3 Kết quả mô phỏng...................................................................................12
2.3.1 Hình ảnh anten mô phỏng................................................................13
2.3.2 Kết quả khảo sát các thông số của anten.........................................13
2.4 Cải thiện các thông số của anten..............................................................16
2.4.1 Anten với cấu trúc DGS..................................................................16
2.4.2 Kết quả khảo sát các thông số của anten cấu trúc DGS..................16
2.5 So sánh kết quả của anten vi dải không có cấu trúc DGS với anten vi dải
có cấu trúc DGS...................................................................................................19
KẾT LUẬN.........................................................................................................21
Tài liệu tham khảo...............................................................................................21

1

MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh chóng, do đó trong
thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu 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 dải (Microstrip Antenna), có
các ưu điểm như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối,… sẽ là lựa
chọn yêu cầu thiết kế ở trên. Cho đến nay nhiều phương pháp cải tiến các thông
số của anten vi dải đã được nghiên cứu, một trong những phương pháp đó là
thay đổi cấu trúc mặt phẳng đất Defected Ground Structure (DGS). Kỹ thuật này
đơn giản là tạo các dị tật trên mặt phẳng đất của các anten vi dải.
Sau khi được học những kiến thức được tích lũy trong quá trình học tập và
sau một thời gian tìm hiểu, nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và chế
tạo anten vi dải cấu trúc DGS hoạt động ở dải tần 1.5 GHz”.
Đồ án thực hiện bằng phương pháp mô phỏng để đưa ra kết quả tính toán
kích thước và hình dạng của cấu trúc khắc đất nhằm đạt được các yêu cầu về kỹ
thuật của anten vi dải.
Nội dung đồ án bao gồm:
Chương 1: Trình bày về anten vi dải và anten vi dải cấu trúc DGS.
Chương 2: Thực hiện tính toán kích thước của anten vi dải và anten vi dải có
cấu trúc DGS. Tiến hành mô phỏng và phân tích các thông số của anten dùng
phần mềm HFSS.

2


CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI
1.1. Cấu tạo

Hình 1.1. Cấu trúc đơn giản anten vi dải

Cấu trúc đơn giản nhất của một anten vi dải bao gồm ba lớp: lớp đất, lớp
điện môi, lớp bức xạ. Hằng số điện môi của lớp điện môi đóng vai trò quan
trọng nhất trong anten vi dải. Nó ảnh hưởng đến đặc tính trở kháng, tần số cộng
hưởng, băng thông, hiệu suất… của anten.
1.2. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải
Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten thông thường khác
và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số băng rộng 10 MHz – 100 GHz. Một
số ưu điểm nổi bật của anten vi dải là:
-

Trọng lượng nhẹ, thể tích nhỏ, cấu trúc phẳng và mỏng nên dễ chế tạo.

-

Giá thành sản xuất, thích hợp với xác suất số lượng lớn.

- Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ thuật tiếp điện
đơn giản.
- Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thời
trên cùng một cấu trúc anten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các
anten thông thường:
-

Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%).

- Độ lợi thấp (≈ 6).
- Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten.
- Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian.
Muốn có anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điện phức tạp.

- Xuất hiện bức xạ nhiễu từ đường tiếp điện và mối nối.
3


- Xuất hiện sóng mặt.
- Khả năng điều khiển công suất thấp.
1.3. Các loại anten vi dải
Anten vi dải được đặc trưng bởi nhiều tham số vật lý. Chúng có thể được
thiết kế với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Một cách tổng quát ta có
thể chia anten vi dải ra bốn loại cơ bản: anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng
cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy.
- Anten patch vi dải (Microstrip patch antenna)
Một anten patch vi dải, có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng nằm trên
một mặt của chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền. Anten
patch có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống
nhau do chúng hoạt dộng 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.
- Dipole vi dải
Dipole vi dải có hình dạng giống như anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ
khác nhau ở tỷ số L/W. Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước
sóng trong không gian tự do. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi
dải là 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 dipole vi
dải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện
môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể. Việc
lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten
dipole vi dải.
-

Printed Slot antenna

Printed Slot antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của
một đế được nối đất. 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.
-

Microptrip traveling-wave Antennas (MTA)

MTA được cấu thành bởi một loại 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
4


tránh hiện tượng sóng đứng trên anten. Anten MTA có thể được thiết kế để
hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào.
1.4. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải
Có nhiều kỹ thuật được phát triển để tiếp điện cho anten vi dải, nổi bật như
các kỹ thuật dùng đường vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial feed),
ghép gần (promixity coupled) và ghép khe hở (aperture coupled). Việc lựa chọn
kỹ thuật tiếp điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Vấn đề được quan tâm nhiều
nhất khi tiếp điện là hiệu suất chuyển đồi công suất giữa cấu trúc phát xạ và
đường truyền, sự phối hợp trở kháng giữa chúng, trở kháng của các thành phần
gây ra hiện tượng sóng mặt và bức xạ nhiễu như các mối nối, chốt chuyển tiếp…
Các bức xạ không mong muốn có thể sẽ làm tăng mức thùy phụ và biên độ phân
cực chéo trong thành phần bức xạ. Vì vậy, cần tính toán kỹ thuật tiếp điện sao
cho tối thiểu hóa các bức xạ nhiễu và ảnh hưởng của nó.

1.4.1. Đường truyền vi dải (Microstrip Feed)
-

Cấu trúc trường của đường truyền vi dải.

Sóng truyền trên đường vi dải là sóng có gần với dạng sóng TEM (quasiTEM). Điều này có nghĩa là trên đường truyền vi dải có vài vùng trong đó chỉ có
thành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng.
Trên cấu trúc đường truyền vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện. Bởi vì bề
mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí
nên các đường sức điện từ không liên tục tại mặt tiếp giáp này. Một phần năng
lượng của điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữ
trong chất nền điện môi.
Hằng số điện môi hiệu dụng đối với đường truyền có giá trị nằm ở khoảng
giữa hằng số điện môi của không khí và hằng số điện môi của chất nền.

-

Hinh1.2. Cấu trúc đường truyền vi dải
Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
5


Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì
có thể xem patch là phần mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo
cả hai đồng thời. Việc ghép nối đường truyền vi dải với patch có thể thực hiện
như ở hình 1.3 (a) hoặc 1.3 (b)

(a)

(b)

Hình 1.3. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Phương pháp ghép cạnh như hình 1.3 (a) có nhược điểm là trở kháng vào của
patch tại cạnh bức xạ lớn hơn nhiều lần so với trở kháng của đường truyền vi dải
(50 Ω). Để khắc phục hạn chế này ta có thể ghép thêm một mạch phối hợp trở
kháng giữa patch và đường truyền. Tuy nhiên nó làm tăng bức xạ nhiễu, đồng
thời phương pháp này cũng không thích hợp trong ứng dụng mảng anten (không
có đủ không gian vật lý). Hình 1.3 (b) biểu diễn một phương pháp ghép nối tiến
bộ hơn, trong đó được truyền vi dải được đặt vào trong patch một đoạn l. Tham
số l được lựa chọn sao cho trở kháng vào của anten là 50 Ω.
Tiếp điện bằng đường nối vi dải rất dễ thiết kế và chế tạo nhưng lại gây ra
bức xạ nhiễu lớn và là nguyên nhân tạo ra phân cực chéo. Vì vậy, kỹ thuật này
thường được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu hiệu suất cao và cần có
đường tiếp điện phẳng. Băng thông đạt được khoảng 3-5 %.
1.4.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed).
Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất để
truyền công suất anten. Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối với
anten vi dải qua khe hở ở mặt phẳng đất. Một anten thường sử dụng cáp đồng
trục loại N. Cáp đồng trục được ghép vào mặt sau của mạch in, sau đó lõi của nó
sẽ đi qua chất nền và được tiếp nối với bức xạ. Vị trí tiếp nối sẽ được tính toán,
lựa chọn để có được phối hợp trở kháng tốt nhất.
6


Hình 1.4. Tiếp điện bằng cáp đồng trục
Cũng giống như tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng
trục có ưu điểm là dễ thiết kế và chế tạo. Hơn nữa, thông qua việc xác định tiếp
điểm ta có thể kiểm soát được mức trở kháng vào, tạo thuận lợi cho việc phối
hợp trở kháng.
1.4.3.

Kỹ thuật ghép khe hở

Kỹ thuật ghép khe hở gồm hai lớp chất nền được chia tách bởi mặt phẳng
đất, patch đặt ở lớp trên được ghép nối điện từ đường truyền đặt ở lớp dưới qua
một khe hở ở mật phẳng đất. Khe hở này có thể có nhiều hình dạng, kích thước
và được thiết kế sao cho cải thiện được độ rộng của băng thông cũng như bức xạ
của anten.
- Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng với
bức xạ từ patch ngược trở xuống đồng thời phải phù hợp với trở kháng.
- Chiều rộng khe (Wa) : thông số này ảnh hưởng đến mức độ ghép nối,tuy
nhiên ảnh hưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thường
bằng 1/10 chiều dài patch.
Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tối ưu hóa đường truyền và các
hàm bức xạ độc lập với nhau.Ví dụ: chất nền của đường truyền phải mỏng và có
hằng số điện môi cao trong khi chất nền của patch phải dày và có hằng số điện
môi thấp. Hơn nữa, nhờ có hiệu ứng màn che của mặt phẳng đất, bức xạ từ
đường truyền không thể gây can nhiễu bức xạ của patch, giúp ta dễ có được sự
phân cực thuần.

7


Hình 1.5. Kỹ thuật ghép khe hở
Hạn chế của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo liên kết rãnh và các lớp chất
nền đều có yêu cầu định tuyến phải chính xác.
1.4.4. Kỹ thuật ghép gần
Kỹ thuật này sử dụng 2 lớp chất nền, patch được đặt ở lớp trên và đường
truyền đặt ở lớp dưới, lớp dưới cùng là mặt phẳng đất. Patch và đường truyền
được nối với nhau nhờ tụ tự nhiên. Ưu điểm của phương pháp này là có thể hạn

chế được nhiễu từ đường truyền và cung cấp băng thông rộng hơn (khoảng 13%)
bằng cách tăng độ dày chất nền của patch và giảm độ dày chất nền của đường
truyền.Ngoài ra, việc patch được đặt trên hai chất nền cũng là một nguyên nhân
làm tăng độ rộng của băng thông. Ta cũng có thể có được sự phối hợp trở kháng
khi kiểm soát chiều dài của đường truyền và tỉ lệ chiều rộng/chiều dài (W/L) của
patch.

Hình 1.6. Kỹ thuật ghép gần
Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo vì hai lớp chất nền
đòi hỏi phải có độ định tuyến chính xác. Mặc khác, vì đường truyền không còn
nằm trên mặt hở nữa nên người thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn.
1.5. Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten
- Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten. Anten luôn làm
việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớn nhất.
- Hệ số định hướng của anten là tỷ số giữa mật độ công suất từ anten định
hướng và mật độ công suất anten đẳng hướng với công suất bức xạ như nhau từ
hai anten.
(1.1)
8


- Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất
bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất của anten chuẩn
(thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau với công
suất vào hai anten giống nhau. Trong đó anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.
(1.2)
-

Trở kháng vào của anten:
ZA = RA + jXA

(1.3)

Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng.
Thông thường trở kháng đặc tính của feeder là R 0, để phối hợp trở kháng thì
ZA=R0.
- Hệ số tổn hao RL (dB), đánh giá mức độ phản xạ của sóng tại điểm kết nối
anten với feeder.
- Hệ số sóng đứng SWR, đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng giữa
anten và feeder.
Cấu tạo của anten vi dải hình chữ nhật bao gồm:






W là chiều rộng của mặt bức xạ
L là chiều dài của mặt bức xạ
h là bề dày của lớp điện môi
Wg là chiều rộng của mặt phẳng đất
Lg là chiều dài của mặt phẳng đất

1.6. Phương pháp tạo cải thiện các thông số của anten vi dải
1.6.1. Phương pháp tạo dị tật trên mặt đất - Defected Ground Structure
Như chúng ta đã biết, dải tần của anten vi dải thường là dải tần hẹp và có thể
mở rộng tùy theo yêu cầu ứng dụng thực tế. Anten vi dải có nhiều ưu điểm và
được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin liên lạc, vì vậy việc cải tiến
chất lượng anten như mở rộng băng thông, giảm thiểu kích thước, tăng độ lợi,
giảm suy hao do phản xạ,... luôn được đặt lên hàng đầu.

Trong vài năm trở lại đây, đã có một vài phương pháp mới để cải tiến các
mạch vi dải. Một trong số đó là kĩ thuật Defected Ground Structure (DGS), DGS
là mội kỹ thuật dùng để sửa lỗi lại mặt phẳng đất trong anten để nâng cao hiệu
suất hoạt động của anten. Kỹ thuật này được hiểu đơn giản là đặt một “dị tật”
lên mặt phẳng đất của anten vi dải, nó đã mở ra cánh cửa cho hàng loạt ứng

9


dụng sau này. Rất nhiều nghiên cứu về DGS đã được đề xuất và DGS trở thành
mảng thú vị cho việc nghiên cứu ứng dụng nó trong mạch vi dải.
Các mẫu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương L-C, hệ số
ghép nối, đáp ứng tần số và các thông số khác. Mặc dù các “dị tật” đặt thêm sẽ
làm mất đi tính thống nhất của mặt phẳng đất, tuy nhiên chúng không làm mặt
phẳng đất bị lỗi. Người sử dụng phải chọn cho mình một cấu trúc hiệu quả cho
mạch vi dải của mình.
Hình 1.5 cho chúng ta thấy một số cấu trúc DGS được sử dụng phổ biến hiện
nay. Các mấu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương L-C, hệ số
ghép nối, đáp ứng tần số và các thông số khác. Mặc dù các “dị tật” đặt thêm sẽ
làm mất đi tính thống nhất của mặt phẳng đất, tuy nhiên, chúng không làm mặt
phẳng đất bị lỗi. Người sử dụng phải chọn cho mình một cấu trúc hiệu quả cho
mạch vi dải của mình.

Hình 1.5. Một số khuôn mẫu DGS
Một mẫu DGS cơ bản là một rãnh cộng hưởng trên mặt phẳng đất, đặt trực
tiếp dưới đường truyền vi dải và ghép nối một cách hiệu quả cho đường truyền
vi dải. Khuôn mẫu DGS được kết hợp trên mặt phẳng đất sẽ làm thay đổi sự
phân bố dòng trong lớp cách điện, sự thay đổi phụ thuộc vào hình dạng và kích
thước của DGS. Sự thay đổi này cũng ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào và dòng

10


điện chảy trong anten. Nó cũng có thể điều khiển được sự kích thích và sóng
điện từ truyền qua lớp nền.
Khi chúng ta sử dụng anten vi dải, sự suy hao luôn luôn xảy ra trong quá
trình truyền tín hiệu. Suy hao do sự kích thích sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất
sử dụng, độ lợi, băng thông vì khi có sóng bề mặt xảy ra, nó sử dụng một phần
năng lượng dự trữ để truyền sóng ra không gian. Với những anten không có cấu
trúc DGS thì có băng thông hẹp, suy hao do phản xạ cao, độ lợi thấp,... mặt khác
các anten kết hợp cấu trúc DGS hiệu quả sẽ cho tăng băng thông cao hơn, giảm
suy hao do phải xạ,...
1.6.2. Ứng dụng của DGS trong thiết kế mạch vi dải
DGS được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị thụ động hoặc tích cực, đặc
biệt rất hữu ích cho các thiết kế nhỏ gọn (anten vi dải là ví dụ điển hình về điều
này). Nó được dùng cho việc lọc các tín hiệu không mong muốn, nâng cao chất
lượng hệ thống (ví dụ trong anten vi dải nó có tác dụng cải thiện suy hao phản
xạ tại tần số cộng hưởng, tăng băng thông đường truyền...). Mỗi DGS có đặc
tính riêng của mình, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và vị trí của nó, nó dễ
dàng thực hiện bằng cách đặt một mẫu “dị tật” DGS trên mặt phẳng đất để làm
tăng hiệu quả hoạt động của mạch được thiết kế mà không làm mạch phức tạp
thêm.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về DGS và tích hợp nó trong anten vi
dải. Khi chúc ta sử dụng anten vi dải để truyền tín hiệu, sóng cần truyền đi di
chuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống phía dưới. Sau đó nó
tiến đến sát cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và
phần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do. Năng lượng phản xạ trở lại càng lớn,
tức là suy hao do phản xạ càng cao và ngược lại anten vi dải có kết hợp DGS sẽ
có băng thông rộng hơn, suy hao do phản xạ thấp hơn.
Một khuôn mẫu DGS tích hợp trên mặt phẳng đất sẽ gây ảnh hưởng có lợi

đến hiệu suất hoạt động của anten như giảm kích thước của anten, giảm sự phân
cực chéo, giảm suy hao khớp nối trong mảng anten, giúp cho việc ngăn chặn các
tín hiệu không mong muốn (như một filter), cải thiện suy hao phản xạ, tăng băng
thông truyền dẫn,...

11


CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN VI DẢI LÀM VIỆC TẠI TẦN SỐ 1.5
GHz
2.1. Yêu cầu kỹ thuật
Thiết kế anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn bằng đường
truyền vi dải và phối hợp trở kháng dùng phương pháp inset feed line. Anten
hoạt động tại tần số 1.5 GHz. Anten được đặt trên lớp điện môi là chất Neltec
NY9220 với hằng số điện môi là 2,2 có độ dày h = 1.6 mm.
2.2. Thiết kế anten
Tính toán các thông số của anten:
-

Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công thức:

c
3 × 108
W=
=
= 79(mm)
εr +1
2.2
+

1
2 f0
2 × 1.5 × 106
2
2
-

Hệ số điện môi hiệu dụng được xác định theo công thức:
−

1
2

ε reff

ε + 1 εr −1 
h
= r
+
1
+
12
2
2 
W 

-

Độ dài hiệu của anten được xác định theo công thức:
Leff ≈

-

(2.1)

c
2 f 0 ε reff

2.2 + 1 2.2 − 1 
1.6 
=
+
1
+
12
2
2 
79.05 

−

3 × 108
=
= 68.39( mm)
2 × 1.5 × 106 2.138

= 2.138

(2.2)

(2.3)

Độ tăng độ dài được tính theo công thức:

W

+ 0.3)  + 0.264 ÷
 h

∆L = 0.412h
( ε reff − 0.258 )  Wh + 0.8 ÷
79.05

+ 0.264 ÷
( 2.138 + 0.3) 
 1.6
 = 0.845(mm)
⇒ ∆L = 0.412 × 1.6
79.05

+ 0.8 ÷
( 2.138 − 0.258 ) 
 1.6


(ε

-

1

2

reff

(2.4)

Độ dài thực của mặt bức xạ được tính theo công thức:

L = Leff − 2∆L = 68.39 − 2 × 0.845 = 66.61( mm)
12

(2.5)


-

Kích thước của mặt đất là được tính theo công thức:

Wg ≈ 6h + W ≈ 6 × 1.6 + 79 ≈ 88.65( mm)

(2.6)

Lg ≈ 6h + L ≈ 6 × 1.6 + 66.61 ≈ 77.9( mm)

(2.7)

- Để trở kháng ngõ vào của anten là 50 Ω , thì điểm cấp tín hiệu cho anten sẽ
lấn sâu vào trong anten 1 khoảng y0, với Rin= 144 Ω, yo được tính theo công
thức:
y0 =

-

π L
50
π 65.83 −1 50
cos −1
=
cos
= 19.7(mm)
180 π
Rin 180 π
144

(2.8)

Chiều rộng đường line:
Wf =

2h 
εr −1
0.61  
ln(
B
−
1)
+
0.39
−
 B − 1 − ln(2 B − 1) +



π 
2ε r 
ε r  

(2.9)

Trong đó:

B=
⇒ Wf =

-

377π
377π
=
= 7.99
2 Z 0 ε r 2 × 50 2.2

(2.10)

2 × 1.6 
2.2 − 1 
0,61  
ln(7.99 − 1) + 0.39 −
7.99 − 1 − ln(2 × 7.99 − 1) +
 = 5.1( mm)


π 
2 × 2.2 
2.2  
(2.11)

Chiều dài đường line:
Lf
= 3.96 ⇒ L f = 3.96 × 5.1 = 20.2( mm)
Wf

(2.12)

Một vấn đề đặt ra trong thiết kế anten là phối hợp trở kháng. Việc phối hợp
trở kháng tốt sẽ làm cho không xuất hiện hiện tượng sống phản xạ. Vì vậy, phối
hợp trở kháng cho anten là đảm bảo trong tuyến truyến sóng sóng phản xạ là ít
nhất.
Sóng truyền trong tuyến truyền siêu cao tần được phản ánh đầy đủ qua hệ số
phản xạ hay đại lượng đo đạc dễ dàng hơn là hệ số sóng đứng.
.
Phối hợp trở kháng là quá trình biến đổi trở kháng tùy ý thành trở kháng hệ
thống. Nếu trở kháng được phối hợp thì công suất truyền có thể đạt cực đại và
công suất tiêu tán trên đường đi sẽ là nhỏ nhất. Trong anten phối hợp trở kháng
sẽ làm tăng tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm S/N.
2.3. Kết quả mô phỏng
2.3.1. Hình ảnh anten trong mô phỏng
13


Hình 2.1. Anten vi dải hoạt động tại tần số 1.5 GHz
2.3.2. Kết quả khảo sát các thông số của anten

• Hệ số suy hao

2
0
-2

Suy hao [dB]

-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Frequency [GHz]

Hình 2.2. S11 của anten vi dải

Thiết kế anten vi dải tại tần số 1.5 GHz, kết quả mô phỏng được tần số 1.5
GHz => sai số: 0 %.
Khi có phối hợp trở kháng thì công suất truyền đến tải là lớn nhất. Khi không
có sự phối hợp trở kháng giữa tải và đường truyền thì sẽ có sóng phản xạ trở về
máy phát. Điều này sẽ gây ra:
- Tổn hao công suất.
- Xuất hiện nhiễu và làm giảm hiệu suất làm việc của máy phát do sự giao
thoa của tín hiệu phản xạ về với tín hiệu tới.
Khi tải không phối hợp trở kháng thì không phải toàn bộ công suất của
nguồn sẽ rơi trên tải mà sẽ có một tổn hao ta định nghĩa là Return Loss:
14


RL = −20log Γ
Với:
Γ=

Z L − Z0
Z L + Z0

Trong đó: Г là hệ số phản xạ.
Nếu RL = 0, thì phản xạ toàn phần, nếu RL = ∞, thì tải phối hợp trở kháng.
Đối với một số hệ thống hệ số suy hao S 11 = -9,5 dB thì hệ thống đạt yêu cầu
phối hợp trở kháng. Ở đây, tại tần số f = 1.5 GHz thì hệ số suy hao S11 đạt suy
hao đạt được RL = 14.6858dB , anten phối hợp trở kháng tốt.
• Hệ số sóng đứng SWR

120
100

VSWR

80
60
40
20
0
1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Frequency (GHz)

Hình 2.3. Hệ số sóng đứng SWR
SWR càng tiến về 1 thì phối hợp trở kháng càng tốt.
Khi SWR = 1 thì Γ = 0, khi đó không có sóng phản xạ trở lại đường truyền,
tải hoàn toàn phối hợp trở kháng.
Mô phỏng ở đây SWR = 1.4521, hệ thống phối hợp trở kháng rất tốt.
• Trở kháng vào của anten

15

Name

Freq

m1

1.5000

Ang

Mag

Smith Chart 3

RX

-59.8360 0.1844 1.1382 - 0.3757i

110

100

120
130

90
80
1.00

HFSSDesign1

St(bucxa_T1,bucxa_T1)
Setup1 : Sw eep

60

0.50

2.00

50

140

40

150

30

160 0.20

5.00 20

170

10
0.00
0.00

180

0.20

0.50

1.00

2.00

5.00

0

m1

-170

-10

-160 -0.20

-5.00 -20

-150

-30

-140

-40
-130

-0.50
-120

-2.00

-1.00
-110
-100
-90

-50

-60
-80

-70

Hình 2.4. Đồ thị Smith Chart của anten vi dải
jφ
Giả sử Γ có thể biểu diễn dưới dạng cực (theo biên độ và pha) Γ = Γ e , khi
đó mỗi giá trị Γ được biểu diễn bởi 1 điểm trong hệ tọa độ cực.
Trở kháng đặc trưng của đường truyền là Z 0 = 50 Ω, ở đây mô phỏng được
1.1382 x 50 = 56.9 Ω.
• Độ lợi

Hình 2.5. Độ lợi của anten vi dải

Theo như mô phỏng thì anten có khả năng bức xạ 1.3165 lần so với anten
đẳng hướng.
• Đồ thị phương hướng

16

ANSOFT

Curve Info

70


Radiation Pattern 10

HFSSDesign1

-30

dB(GainTheta)
Setup1 : Sw eep
Freq='1.5GHz' Theta='0deg'

30
0.00
-10.00

-60

60

-20.00
-30.00

-90

90

-120

120

-150

150
-180

Hình 2.6. Đồ thị phương hướng của anten vi dải
Hệ số định hướng là một số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten định
hướng với khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần so với mật độ công suất
bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng với
công suất bức xạ giống nhau ở cả hai trường hợp.
2.4. Cải thiện các thông số của anten
Từ anten vi dải trên ta thiết kế thêm cấu trúc DGS vào anten nhằm cải thiện
các thông số của anten.
2.4.1. Anten với cấu trúc DGS

Hình 2.7. Anten vi dải với cấu trúc DGS
2.4.2. Kết quả khảo sát các thông số của anten cấu trúc DGS
• Hệ số suy hao

17

ANSOFT

Curve Info

0


0

-5

Suy hao [dB]

-10

-15

-20

-25

-30
1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Frequency [GHZ]

Hình 2.8. S11 của anten vi dải cấu trúc DGS
Sau khi khắc cấu trúc DGS vào anten vi dải thì tần số của anten tăng lên f =
1.52 GHz, hệ số suy hao S11 tương đối cao RL = 28.392dB
• Hệ số sóng đứng

160
140
120

VSWR

100
80
60
40
20
0
-20

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Frequency [GHz]

Hình 2.9. Tỉ số sóng đứng SWR của anten vi dải cấu trúc DGS
Tỉ số sóng đứng của anten có cấu trúc DGS SWR = 1,0791.
• Trở kháng vào của anten
18


Name

Freq

Ang

Mag

Smith Chart 3

RX

m1

1.5250 -171.3511

0.0381 0.9274 - 0.0106i

m2

1.5000

0.3143 1.7754 + 0.4206i

19.8577

110

100

120
130

HFSSDesign1

ANSOFT

Curve Info

90
80
1.00

70

St(bucxa_T1,bucxa_T1)
Setup1 : Sw eep

60

0.50

2.00

50

140

40

150

30

160 0.20

5.00 20

170

10

m2

180 0.00
0.00

0.20

0.50

m1

1.00

2.00

5.00

0

-170

-10

-160 -0.20

-5.00 -20

-150

-30

-140

-40
-130

-0.50
-120
-110

-2.00

-50

-60

-1.00
-100
-90

-80

-70

Hình 2.10: Đồ thị Smith Chart của anten vi dải cấu trúc DGS
Trở kháng của anten vi dải có cấu trúc DGS bằng 0.9274 x50 = 46.37 Ω
• Độ lợi

Hình 2.11. Độ lợi của anten vi dải cấu trúc DGS
Độ lợi của anten có cấu trúc DGS tăng lên 1.8436.
• Đồ thị phương hướng

Radiation Pattern 2

HFSSDesign1

-30

ANSOFT

Curve Info

0

dB(GainTheta)
Setup1 : Sw eep
Freq='1.5GHz' Theta='0deg'

30
-4.00
-18.00

-60

60
-32.00
-46.00

-90

90

-120

120

-150

150
-180

Hình 2.12. Đồ thị phương hướng của anten cấu trúc DGS
2.5. So sánh kết quả của anten vi dải không có cấu trúc DGS với anten vi
dải có cấu trúc DGS
19


Hệ số suy hao

Suy hao [dB]

•

2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14

-16
-18
-20
-22
-24
-26
-28
-30

Anten vi dai
Anten cau truc DGS
1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Frequency [GHz]

Hình 2.19. So sánh S11 của anten vi dải và anten vi dải cấu trúc DGS
Từ đồ thị hình 2.19 cho thấy hệ số suy hao của anten vi dải là

RL = 14.6858dB tại tần số f = 1.5 GHz, anten sau khi khắc cấu trúc DGS có hệ
số suy hao cao hơn RL = 28.392dB tại tần số 1.52 GHz.

• Hệ số sóng đứng

160

Anten vidai
Anten cau truc DGS

140
120

VSWR

100
80
60
40
20
0
-20
1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Frequency [GHz]

Hình 2.20. So sánh hệ số sóng đứng SWR của anten vi dải và anten vi dải cấu
trúc DGS
20


Hệ số sóng đứng của anten vi dải là 1.4521, khi có cấu trúc khắc DGS thì hệ
số sóng đứng giảm xuống 1.0791.
•

Độ lợi

(a) Anten vi dải

(b) Anten cấu trúc DGS

Hình 2.21. So sánh độ lợi anten vi dải và anten vi dải cấu trúc DGS
Đối với anten vi dải độ lợi là 1.3165, sau khi khắc cấu trúc DGS độ lợi tăng lên.
Cấu trúc DGS độ lợi tăng lên 1.8436.
•Đồ thị phương hướng

(a) Anten vi dải

(b) Anten cấu trúc DGS

Hình 2.22. So sánh đồ thị phương hướng của anten vi dải và anten có cấu trúc
DGS

21


KẾT LUẬN
Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em đã đi sâu nghiên cứu về anten vi
dải, cách khắc phục được nhược điểm của anten vi dải thông qua phương pháp
khắc DGS. Sau khi nghiên cứu, mô phỏng và tính toán, thiết kế anten đã đạt
được một số kết quả :
- Thiết kế và chế tạo thành công anten vi dải hoạt động tại tần số cộng
hưởng là 1.5 GHz.
- Kết quả mô phỏng bằng phần mềm HFSS cho thấy các thông số của anten
đạt yêu cầu đề ra.
- Anten vi dải với cấu trúc DGS hợp lý sẽ cải thiện được các thông số kỹ
thuật của anten.
Tuy nhiên, do thời gian thực hiện đồ án không nhiều nên kết quả còn có một
số hạn chế cần khắc phục như băng thông còn hẹp, tính phối hợp trở kháng của
anten chưa thật sự tốt.

22


Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Minh Việt, Kỹ thuật mạch siêu cao tần, NXB Khoa học và Kỹ thuật,
2002
[2] tailieu.vn

23