Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm
gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để
thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu
cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten
vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm
hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, sẽ là lựa chọn
thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên. Với sự tiến bộ trong lĩnh vực vi mạch ở siêu
cao tần và trong truyền thông không dây đã đòi hỏi các anten vi dải có kích
thước nhỏ gọn và hiệu suất cao. Do đó, đã ra đời nhiều phương pháp cải tiến
anten vi dải, một trong các phương pháp đó là thay đổi cấu trúc mặt phẳng đất.
Kỹ thuật này đơn giản là tạo ra các dị tật trên nền mặt phẳng đất.
Đồ án này chúng em trình bày về sự ảnh hưởng của các dị tật lên các thông
số của anten vi dải. Cùng với sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Thị Minh chúng
em đã tiến hành mô phỏng thành công đồ án “Khảo sát sự ảnh hưởng của cấu
trúc DGS lên các thông số của anten vi dải”. Do thời gian ngắn nên không thể
tránh được các sai sót trong quá trình thực hiện, rất mong sự đóng góp của quý
thầy cô và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Thuận

1


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN
1.1. Lý thuyết chung về anten
1.1.1. Giới thiệu
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten
thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc
chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng, như thể hiện trong hình
1.1. Thông thường 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. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao
động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới
dạng sóng điện từ ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự
do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc.
Sóng này được truyền theo fide tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và fide là
phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và
không gây ra méo dạng tín hiệu.

Hình 1.1. Anten như một thiết bị truyền sóng [3]
Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc
ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ
tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở
kháng đặc trưng Zc, và anten được thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(RL + Rr)
+jXA. Trở kháng tải RL thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction
and dielectric loss).

Hình 1.2. Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten
2


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. Một mô hình sóng đứng
điển hình được thể hiện là đường gạch đứt trong hình 1.2. Nếu hệ thống anten
được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thành
phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng. Nếu
cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường
truyền dẫn. Tổng mất mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng

đứng. Mất mát do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các
đường truyền mất mát thấp, trong khi mất mát do anten có thể được giảm đi
bằng cách giảm trở kháng bức xạ RL trong hình 1.2. Sóng đứng có thể được
giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa
bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường
truyền. Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính là
anten.
Một phương trình tương tự như hình 1.2 được sử dụng để thể hiện hệ thống
anten trong chế độ thu, ở đó nguồn được thay bằng một bộ thu. Tất cả các phần
khác của phương trình tương đương là tương tự. Trở kháng phát xạ Rr được sử
dụng để thể hiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do
truyền tới anten.
1.1.2. Các tham số cơ bản của anten
1.1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra. Một
trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này giàng buộc với anten;
còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa). Ngay tại anten (trong trường
gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng
được cấp tới anten. Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì. Trường khu
xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường (xem hình 1.3).

Hình 1.3. Các trường bức xạ tại khu xa
3


Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành
trường điện từ. Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua
không gian tự do. Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển. Trường ở khu
xa là các sóng phẳng. Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra
trên một diện tích ngày càng lớn hơn. Điều này làm cho năng lượng trên một

diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng.
1.1.2.2. Giản đồ bức xạ
Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một
giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng. Giản đồ bức xạ này
thể hiện các đặc tính định hướng của anten.
Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 1.4

Hình 1.4. Hệ thống tọa độ để phân tích anten
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả
định, bức xạ đều theo tất cả các hướng. Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực
hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu
để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực. Anten hướng tính là “anten có
đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các
hướng còn lại
1.1.2.3. Cường độ bức xạ.
Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau:
“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 đơn giản là nhân mật độ bức xạ với
bình phương của khoảng cách.
U=R2WRad
(2.8)
Khi đó,
U: là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)
Wrad: là mật độ bức xạ (W/m2)
1.1.2.4. Hệ số định hướng
Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độ
bức xạ theo một hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả
4

các hướng. Cường đồ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten
chia cho 4π . Nếu hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực
đại được chọn”. Đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng
tính bằng với tỉ lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường
độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (U0):
Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau:
Khi đó D: là hướng tính (không có thứ nguyên)
D0: là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên)
U: là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)
Umax: là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc)
U0: là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng
Prad: là tổng công suất bức xạ (W)
1.1.2.5. Hệ số tăng ích
Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G). Hệ số
tăng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính
toán hiệu suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó. Trong khi hệ số
định hướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten.
Hệ số tăng ích 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 bức xạ của anten chuẩn
(thường là anten vô hướng) 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 (không tổn hao).
G0 = Gθ + Gφ
Trong khi các hệ số tăng ích riêng Gθ và Gφ được biểu diễn bởi:
Trong đó:
Pin: là tổng công suất đưa vào anten
U θ: là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành
phần truờng Eθ
U φ: là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành
phần trường E φ

Công thức tương ứng được cho bởi:
G0 (dB) = 10log10 [ecd D0 ]
1.1.2.6. Băng thông
Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà
trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định”. Băng thông có
5


thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là
tần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính 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 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.
Ví dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới.
Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bởi tỉ lệ phần trăm của sự sai
khác tần số (tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông. Ví
dụ, băng thông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của
băng thông.
1.1.2.7. Trở kháng vào
Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “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”. Trong phần này,
chúng ta quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào tại đầu vào của anten. Tỉ số điện áp
trên dòng điện ở đầu vào này, không có tải, xác định trở kháng của anten như
sau:
ZA= RA+ jXA
Trong đó: ZA : là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)
RA: là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)
XA: là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Trong đó điện trở anten có:
RA= Rr+ RL
Trong đó: Rr: là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten
RL: trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số. Do đó, anten
chỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó.
Thêm nữa, trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng của
anten, phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng bao
quanh nó. Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế
được nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ.
Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm.
1.2. 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
6


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 λ0/3 < L< λ0/2. Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện
môi nền như hình 1.5.

Hình 1.5: 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. Những lớp

điện môi được sử dụng để thiết kế anten hầu hết 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 giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian,
nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao
vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. 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.
1.2.1. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống
khác. Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông
(square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình
quạt (sectoral), hình vành khuyên (annularring).

7


Hình 1.6: Các dạng anten vi dải thông dụng.
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.
 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.
 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. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải 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 (cross-polar) 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 (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
8


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.
1.2.2. Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống
khác. Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ
100Mhz đến 100Ghz. MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho
nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm
cần được khắc phục.



Ưu điểm:
 Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng
 Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt
 Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản
 Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất
đồng thời với việc chế tạo anten
 Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền
 Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng
 Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân



Nhược điểm:
 MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai
 Một số MSA có độ lợi thấp
 Khả năng tích trữ công suất thấp
 MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất
 Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

9


MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn
chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng.
1.2.3. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method)
Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên
các kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một
đường truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến

patch kim loại của anten vi dải.Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều
yếu tố khác nhau. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng
lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng
giữa hai phần với nhau. Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn
cong,.. cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt.
Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải
Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một
lớp nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường
truyền vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch. Tuy nhiên,
kỹ thuật này có vài hạn chế. Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed
line khi kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch.

Hình 1.7: Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải.
Cấp nguồn bằng probe đồng trục
Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để
truyền tải công suất cao tần. Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối
với patch, phần ngoài nối với groundplane. Ưu điểm của cách này là đơn giản
trong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ
dàng cho phối hợp trở kháng. Tuy nhiên cách này có nhược điểm là: Thứ nhất,
vì dùng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toàn
phẳng và mất đi tính đối xứng. Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồng trục cho một
dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khó khăn và
độ tin cậy giảm đi. Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi phải
tăng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của probe. Kết quả là bức xạ rò và điện
cảm của probe tăng lên.

10


Hình 1.8: Cấp nguồn dùng cáp đồng trục

Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled

Hình 1.9: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạ
không cần thiết của đường microstripline. Cấu trúc bao gồm 2 lớp điện môi.
Patchantenna được đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đường
truyền feedline ở lớp điện môi dưới. Thông thường thì miếng điện môi ở trên có
hằng số điện môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắm
mục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten. Tuy nhiên, phương thức cấp nguồn này
khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten. Phương
pháp cấp nguồn này thì cho băng hẹp (narrowbandwith).
Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
Cấu trúc này gồm 2 lớp điện môi, miếng patchantenna nằm ở miếng điện
môi trên, đường feedline ở giữa 2 lớp điện môi. Phương thức này có ưu điểm
cao đó loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feedline) và cho băng
thông rộng (khoảng 13%).

Hình 1.10: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ. Phương
pháp này về bản chất là ghép điện dung giữa patch và đường cấp nguồn. Thông
số của hai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ
rò ở đầu cuối hở của đường truyền. Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi
thứ hai cũng mỏng hơn. Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn. Tuy nhiên
phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất.
1.2.4. Nguyên lý bức xạ của anten vi dải
11


Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự
như là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày

mỏng và hệ số điện môi tương đối thấp. Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ
anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn. Do vậy, trong một anten vi
dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp. Bức xạ từ anten vi
dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay
dưới dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch.
Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần
(microwavesource). Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự
phân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của
mặt phẳng đất. Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình thành do các lực tương tác
giữa các điện tử cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở các
vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch. Sự
dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độ
dòng mặt dưới

uu
r
Jb

và vectơ mật độ dòng mặt trên

uu
r
Jt

.

Hình 1.11: Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật.
h

Do trong hầu hết các anten tỷ số W là rất bé vì thế lực hút giữa các điện

tích chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới
patch bề mặt. Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa
của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp
tuyến với các rìa của patch. Do vậy, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta xấp
xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có thể thành lập
các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch. Các giả định này càng hợp lý
hơn trong trường hợp đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi  r lớn.
Tương tự như trường hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất
mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc
theo độ cao là không đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt của
patch. Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xem
như là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity) với các bức xạ trường điện bên
12


trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với bề mặt của patch) và bốn bức
tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp tuyến gần như bằng
không). Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ có các mode TM
là có thể truyền trong hốc cộng hưởng.
1.3. Phương pháp tạo dị tật trên mặt phẳng đất –Defected Ground
Structure (DGS) và ứng dụng của nó trong anten vi dải
1.3.1. Phương pháp tạo dị tật trên mặt phẳng đất –Defected Ground Structure
Như chúng ta biết, dải tần của anten vi dải vốn thường là dải tần hẹp và có
thể mở rộng tùy theo các 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 luôn được đặt lên hàng đầu. Trong những
năm trở lại đây, đã có một vài phương pháp mới để cải tiến các mạch vi dải. Một
trong số đó là kỹ thuật Defected Ground Structure (DGS), DGS là một kỹ thuật
dùng để sửa đổi 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 trên mặt
phẳng đất của anten vi dải, nó đã mở ra cánh cửa cho những ứng dụng hàng loạt
sau này. Rất nhiều nghiên cứu về DGSs đã được đề xuất và DGSs trở thành một
mảng thú vị cho việc nghiên cứu ứng dụng nó trong các mạch vi dải
Hình 1.12 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.

Hình 1.12: Một số khuôn mẫu DGS
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 quảcho mạch vi dải của mình. Một khuôn 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
13


mẫu DGS được kết hợp trên mặt phẳng đất sẽ làm thay đổi sự phân bố dòng
trong lớp chắn điện, sự thay đổi này phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của
DGS. Sự thay đổi này cũng ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào và dòng 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
nănglượng dự trữ để truyền sóng ra không gian.Với những anten không có cấu
trúc DGS thì có băngthông hẹp, suy hao do phản xạ cao, độ lợi thấp,… mặt khác
những anten kết hợp cấu trúc DGS hiệu quả sẽ cho băng thông cao hơn, giảm
suy hao do phản xạ.
1.3.2 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
một đặc tính riêng của mình, tùy thuộc vào hình dạng, kíchthước 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.
Khi chúng 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 sát đến 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, dẫn đến hiệu suất anten thấp. Với một số
anten vi dải không kết hợp DGS sẽ có băng thông thấp, suy hao do phản xạ cao
và ngược lại anten vi dải có kết hợp DGS sẽ cho băng thông rộng hơn và 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,…
14


15


CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC DGS
LÊN CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI

2.1. Mục đích
Mô phỏng và đánh giá anten vi dải với cấu trúc DGS tại tần số 2,4GHz
nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của anten như cải thiện suy hao phản xạ, tăng
băng thông truyền, tăng độ lợi,…
Dựa trên những công thức đơn giản đã được mô tả, quá trình tính toán thiết
kế cho anten vi dải hình chữ nhật được đặt ra. Giả sử ta đã có những thông số
ban đầu: hằng số điện môi  r =2.2, tần số hoạt động f0=2.4GHz, và chiều cao của
lớp điện môi nền h=1.6. Ta tiến hành tính toán kích thước của mặt patch và các
thông số liên quan. Sau đó khắc các mẫu DGS vào anten vi dải để đánh giá chất
lượng của anten.
2.2. Thiết kế anten vi dải tại tần số 2.4 GHz
Trước tiên chúng ta 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. Bản kim loại hình chữ nhật được chọn vì cấu trúc đơn giản và dễ thiết kế.
Anten đặt trên tần số 2.4 GHz ( tần số kết nối giữa các thiết bị Bluetooth năng
lượng thấp được ứng dụng rộng rãi theo tiêu chuẩn IEEE 820.11). 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.
Ta tiến hành tính toán các thông số của anten:
Để đạt được bức xạ hiệu quả, chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công
thức:

Hệ số điện môi hiệu dụng:

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

Độ tăng độ dài được tính:

Độ dài thực của mặt bức xạ:
16

Kích thước của mặt đất là:

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

Chiều rộng đường line:

Trong đó:
=>

Chiều dài đường line:

Vấn đề phối hợp trở kháng bao giờ cũng là vấn đề rất được quan tâm trong
kỹ thuật siêu cao tần. Vì khi lắp ráp các phần tử khác nhau trong tuyến siêu cao
tần bao giờ cũng xuất hiện các bất đồng nhất và do đó xuất hiện sóng phản xạ.
Nhiệm vụ cơ bản của vấn đề phối hợp trở kháng ở siêu cao tần là làm sao đảm
bảo trong tuyến siêu cao tần sóng phản xạ là ít nhất hoặc đảm bảo cho tuyến siêu
cao tần có hệ số sóng đứng hay hệ số sóng chạy đạt yêu cầu đề ra trong một dải
tần nhất định.
Chế độ sóng trong tuyến 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 hay hệ số sóng chạy.
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.
Kết quả mô phỏng:

17

Hình 2.1 : Anten vi dải hoạt động tại tần số 2.4GHz
Hệ số suy hao:

Hình 2.2: S11 của anten vi dải
Đồ án này chúng tôi thiết kế anten vi dải tại tần số 2.4GHz, tuy nhiên mô
phỏng chỉ được tần số 2.375GHz => sai số: 1.04% (trong phạm vi cho phép).
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.
+ Tín hiệu phản xạ sẽ giao thoa với tín hiệu tới dẫn đến nhiễu và ảnh hưởng đến
chế độ làm việc của máy phát.
Khi tải không phối hợp 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:
Trong đó: 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 s11= -9,5dB thì hệ thống đạt yêu cầu phối hợp trở
kháng, tuy nhiên, đối với một số hệ thống đòi hỏi tính chính xác thì s11= -10dB
thì phối hợp trở kháng. Ở đây, tại tần số f= 2.375GHz thì s11 đạt suy hao khá
cao , anten phối hợp trở kháng tốt.
Tỉ số sóng đứng:
18


Hình 2.3: Tỉ số sóng đứng SWR
Hệ số sóng đứng
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 = 1.07, hệ thống phối hợp trở kháng khá tốt.
Đồ thị Smith Chart:

Hình 2.4: Đồ thị Smith Chart của anten vi dải
Đồ thị Smith được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa trở kháng chuẩn hóa
và hệ số phản xạ tại một vị trí bất kì trên đường truyền. Thực chất là đồ thị cực
của hệ số phản xạ điện áp Γ. Nó biểu diễn các tham số cơ bản trong đường
truyền như: hệ số phản xạ, hệ số sóng đứng, hệ số sóng chạy, trở kháng chuẩn
hóa và dẫn nạp chuẩn hóa tại một tiết diện bất kì.
Giả sử Γ có thể biểu diễn dưới dạng cực (theo biên độ và pha) , khi đó mỗi
giá trị Γ được biểu diễn bởi 1 điểm trong hệ tọa độ cực.
Trong tọa độ Smith người ta dùng trở kháng chuẩn hóa thay Z.
Trở kháng đặc trưng của đường truyền là Z 0=50Ω, ở đây mô phỏng được
1.0672x50 = 53.36Ω.
Độ lợi:

19


Hình 2.5: Độ lợi của anten vi dải
Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật 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.

Anten vi dải ở đây có khả năng bức xạ 3.59 lần so với anten đẳng hướng.
Đồ thị phương hướng:

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 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.
2.3. Anten vi dải có kết hợp cấu trúc DGS1.
Từ anten vi dải trên ta thiết kế thêm cấu trúc DGS1 vào anten. Các thông số
của anten được giữ nguyên.
Anten mô phỏng:

20


Hình 2.7: Anten vi dải cấu trúc DGS1
Hệ số suy hao:

Hình 2.8: S11 của anten vi dải cấu trúc DGS1
Sau khi khắc cấu trúc DGS1 vào anten vi dải thì tần số của anten tăng lên
f=2.43GHz, s11 đạt hệ số suy hao cao
Tỉ số sóng đứng:

Hình 2.9: Tỉ số sóng đứng SWR của anten vi dải cấu trúc DGS1
Tỉ số sóng đứng của anten có cấu trúc DGS1 SWR = 1.01
Đồ thị Smith Chart:
21


Hình 2.10: Đồ thị Smith Chart của anten vi dải cấu trúc DGS1
Trở kháng của anten vi dải có cấu trúc DGS1 bằng 1.0095x50 = 50.475Ω
Độ lợi:

Hình 2.11: Độ lợi của anten vi dải cấu trúc DGS1
Hệ số tăng ích của anten có cấu trúc DGS1 tăng lên 4.07.
Đồ thị phương hướng:

Hình 2.12: đồ thị phương hướng của anten cấu trúc DGS1
2.4. Anten vi dải có kết hợp cấu trúc DGS2.
Anten mô phỏng:

22


Hình 2.13: Anten vi dải cấu trúc DGS2
Hệ số suy hao:

Hình 2.14: S11 của anten cấu trúc DGS2
Với anten có cấu trúc DGS2 thì tần số f = 2.385GHz, hệ số suy hao giảm
xuống .
Tỉ số sóng đứng:

Hình 2.15: Tỉ số sóng đứng của anten cấu trúc DGS2
Tỉ số sóng đứng của anten có cấu trúc DGS2 tăng lên SWR = 1.27. Khả năng
phối hợp trở kháng kém hơn so với anten vi dải và anten vi dải cấu trúc DGS1.
Đồ thị Smith Chart:

23


Hình 2.16: Đồ thị Smith Chart của anten cấu trúc DGS2
Trở kháng vào của anten cấu trúc DGS2 tăng lên 1.2293x50 = 61.465Ω.
Độ lợi:

Hình 2.17: Độ lợi của anten cấu trúc DGS2
Độ lợi của anten cấu trúc DGS2 là 3.66.
Đồ thị phương hướng:

Hình 2.18: Đồ thị phương hướng của anten cấu trúc DGS2
2.5. So sánh kết quả của anten vi dải không có cấu trúc DGS với anten vi
dải có cấu trúc DGS.
Hệ số suy hao:

24


Hình 2.19: So sánh s11 của anten vi dải và anten vi dải cấu trúc DGS
Hệ số suy hao của anten vi dải là tại tần số 2.375GHz, anten sau khi khắc cấu
trúc DGS1 có hệ số suy hao cao hơn tại tần số 2.43GHz, anten khắc cấu trúc
DGS2 lại cho hệ số suy hao giảm xuống tại tần số 2.385GHz.
Hệ số sóng đứng:

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

Hệ số sóng đứng của anten vi dải là 1.07, khi có cấu trúc khắc DGS1 thì hệ số
sóng đứng giảm xuống 1.01, với cấu trúc khắc DGS2 lại cho hệ sống sóng đứng
tăng lên 1.27.
Độ lợi:
25