Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông anten MIMO UWB

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................iii
TÓM TẮT.......................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ..................................................vi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN.......................................................1
1.1 Tổng quan...............................................................................................1
1.2 Lý thuyết chung về anten.......................................................................2
1.2.1 Giới thiệu.........................................................................................2
1.2.2 Các thông số cơ bản của anten........................................................5
1.2.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten......................................5
1.2.2.2 Giản đồ bức xạ..........................................................................6
1.2.2.3 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính..........................................6
1.2.2.4 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính...........................7
1.2.2.5 Mật độ công suất bức xạ...........................................................9
1.2.2.6 Cường độ bức xạ....................................................................10
1.2.2.7 Hệ số định hướng....................................................................11
1.2.2.8 Hệ số tăng ích.........................................................................12
1.2.2.9 Băng thông.............................................................................14
1.2.2.10 Phân cực...............................................................................14
1.2.2.11 Trở kháng vào.......................................................................16
1.3 Anten vi dải..........................................................................................17
1.3.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải..........................................18
1.3.2 Đặc tính của anten vi dải...............................................................19
1.3.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải.......................................20
1.3.4 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải................................................23
CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG VÀ ANTEN
MIMO.............................................................................................................25
2.1 Công nghệ UWB..................................................................................25
2.1.1 Lịch sử phát triển...........................................................................25
2.1.2 Các ưu điểm của UWB..................................................................26

2.2 Anten MIMO........................................................................................28
2.2.1 Đặc điểm anten MIMO.................................................................28
2.2.2 Lợi ích của kỹ thuật đa anten........................................................28
2.2.3 Mô hình tổng quát anten MIMO...................................................28

i


2.3 Các kỹ thuật tăng băng thông...............................................................30
2.3.1 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ........................................30
2.3.2 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện...........................................................30
2.3.3 Kỹ thuật kích thích đa mode.........................................................31
2.3.4 Kỹ thuật giảm nhỏ mặt đất............................................................31
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN MIMO............................32
BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG......................................................................32
3.1 Mục đích...............................................................................................32
3.2 Quy trình thiết kế..................................................................................32
3.3 Thiết kế mô phỏng................................................................................34
3.3.1 Thiết kế anten có tần số 7,25 GHz................................................34
3.3.2 Tiến hành thu hẹp đất để tăng băng thông.....................................35
3.3.3 Thêm Stub mặt đất........................................................................36
3.4 Anten MIMO 2x2.................................................................................39
KẾT LUẬN....................................................................................................44
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................45

ii


LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng các dịch vụ tiện ích đáp ứng nhu

cầu cuộc sống càng cao. Một trong những ứng dụng đó là truyền tải không dây tốc
độ cao ở khoảng cách gần. Để tải, di chuyển, chia sẻ những tập tin có dung lượng
lớn cho các thiết bị ở khoảng các gần bằng phương thức không dây đặt ra yêu cầu
mới cho các nhà thiết kế thiết bị. Một giải pháp là sử dụng các dải tần số cao có
băng thông rộng để truyền tải dữ liệu. Công nghệ UWB là một giải pháp hữu hiệu
cho yêu cầu đặt ra. Trong hệ thống UWB thì anten băng thông siêu rộng là thành
phần quan trọng nhất. Chính vì vậy trong đề tài tập trung thiết kế và khảo sát một
anten MIMO mạch in có cấu trúc phẳng hoạt động dải tần từ 3.1-10.6 GHz. Đồng
thời sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng.
Nội dung của báo cáo gồm bốn chương.
Chương 1 giới thiệu tổng quan về anten. Trong đó chúng tôi tập trung trình
bày lý thuyết về anten, nêu ra các loại anten và các thông số cơ bản của anten.
Chương 2 trình bày về công nghệ băng thông siêu rộng UWB và anten MIMO
bao gồm lịch sử phát triển, ưu nhược điểm của công nghệ UWB và lý thuyết anten
MIMO và các ứng dụng.
Chương 3 thực hiện thiết kế mô phỏng anten MIMO băng thông siêu rộng
UWB trên phần mềm CST, các kết quả đạt được và thảo luận.
Cuối cùng đề tài trình bày về kết quả thu được và các định hướng phát triển
đề tài.

iii


TÓM TẮT
Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và mô phỏng anten vi dải MIMO 2 cổng
băng thông siêu rộng (UWB) hoạt động ở dải tần từ 3.1-10.6 GHz sử dụng phần
mềm CST. Anten được thiết kế trên chất nền RO-4350B có hằng số điện môi 3.66
và có bề dày 0.8 mm và được cấp nguồn bằng đường truyền vi dải. Các kết quả mô
phỏng đạt được cho thấy anten có hệ số tăng tích từ 2 đến 6.8 dBi, hiệu suất bức xạ
trên 80%, hệ số tương quan nhỏ hơn 0.02 trong toàn bộ dải tần làm việc. Các tham

số kỹ thuật của anten đề xuất có thể ứng dụng trong công nghệ không dây UWB.

ABSTRACT
This thesis focuses on study of designing and simulating 2 port UWB MIMO
microstrip antenna which operate in range of 3.1-10.6 GHz by CST software. This
antenna is designed on RO-4350B as substrate with permitty of 3.66 and height of
0.8mm and fed by microstrip line. The obtained simulation results show that
antenna has gain from 2 to 6.8 dBi, radiation effiency above 80%, cooperation ratio
below 0.02 in whole the operation frequency. The technique parameter of the
proposed antenna can be applied for wireless UWB applications.

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt
CST
EIRP

Tiếng anh
Computer Simulation Technology
Egquivalent Isotropically

Tiếng việt
Công nghệ mô phỏng máy tính
Công suất bức xạ đẳng hướng

FCC

Radiated Power
Federal Communications

tương đương
Ủy ban truyền thông Hoa Kỳ

HD
IEEE

Commission
High Definition
Institute of Electrical and

Video độ phân giải cao
Viện các kỹ sư điện tử

IC
IR - UWB

Electronics Electronics Engineers
integrated circuit
Impulse radio UWB

Mạch tích hợp
Hệ thống truyền thông vô

Ultra Wide Band
Voltage Standing Wave Ratio

tuyến

Băng thông siêu rộng
Tỉ số sóng đứng điện áp

UWB
VSWR

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình...............................................................................................................Trang
Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng............................................................3
Hình 1.2 Mạch điện tương đương............................................................................3
Hình 1.3 Hệ thống tọa độ để phân tích anten.............................................................6
Hình 1.4 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten ....................................................7
Hình 1.5 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính.................................................8
Hình 1.6 Anten vi dải...............................................................................................17
Hình 1.7 Các dạng anten vi dải thông dụng.............................................................18
Hình 1.8 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải........................................................21
Hình 1.9 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục..................................................................21
Hình 1.10 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled.....................22
Hình 1.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled..................22
Hình 1.12 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải
...............................................................................................................................
23
Hình 2.1 Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu..........................29
Hình 3.1 Hình dạng đơn anten.................................................................................34
Hình 3.2 Đồ thị hệ số suy hao S11 đơn anten..........................................................35
Hình 3.3 Giảm mặt đất............................................................................................35
Hình 3.4 Đồ thị hệ số suy hao S11..........................................................................36

Hình 3.5 Hình dạng anten có đường stub................................................................36
Hình 3.6 Kết qua mô phỏng khi thêm đường stub S11............................................37
Hình 3.7 Đồ thị VSWR đơn anten...........................................................................37
Hình 3.8 Độ lợi anten theo tần số đơn anten...........................................................38
Hình 3.9 Đồ thị năng lượng bức xạ anten đơn anten...............................................38
Hình 3.10 Hiệu suất bức xạ của đơn anten..............................................................39
Hình 3.11 Hình dạng anten MIMO 2x2...................................................................40
Hình 3.12 Đồ thi S của anten MIMO 2x2...............................................................40
Hình 3.13 Hệ số tương qua giữa hai anten trong MIMO 2x2..................................41

vi


Hình 3.14 Đồ thị độ lợi theo tần số anten MIMO 2x2.............................................41
Hình 3.15 Độ lợi anten MIMO 2x2 3D...................................................................42
Hình 3.16 Đồ thị VSWR anten MIMO 2x2.............................................................42
Hình 3.17 Công suất bức xạ anten MIMO 2x2........................................................43
Hình 3.18 Hiệu suất bức xạ của anten MIMO 2x2..................................................43

vii


viii


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN
Trong chương này sẽ tìm hiểu rõ các khái niệm, các thông số cơ bản của anten.
Cũng như đường truyền vi dải được sử dụng để kích thích sự bức xạ của anten.
1.1 Tổng quan
Trong các hệ thống truyền thông không dây hiện đại đặt ra yêu cầu băng

thông rộng hơn, đa tần và anten kích thước nhỏ đang có nhu cầu rất lớn cho cả các
ứng dụng thương mại và quân sự. Điều này thúc đẩy quá trình nghiên cứu anten
theo các hướng khác nhau. Một trong số đó là sử dụng anten có cấu trúc vi dải.
Theo truyền thống, mỗi anten hoạt động ở băng tần đơn hoặc kép, mỗi anten khác
nhau là cần thiết cho các ứng dụng khác nhau.
Anten là một thành phần rất quan trọng đối với các hệ thống thông tin liên
lạc không dây sử dụng tần số vô tuyến điện và sóng vi ba. Theo định nghĩa, một
anten là một thiết bị được sử dụng để chuyển đổi một tín hiệu vô tuyến thành tín
hiệu điện hoặc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu vô tuyến trong không gian tự
do. Các tiêu chuẩn IEEE định nghĩa các thuật ngữ cho Antennas (IEEE Std 1451983) là "một phương tiện để phát xạ hoặc nhận sóng vô tuyến". Nói cách khác, nó
là một cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và một thiết bị định hướng được
thực hiện để phát ra và nhận sóng điện từ một cách hiệu quả. Anten thường được sử
dụng trong phát thanh, truyền hình, điện thoại di động, radar và các hệ thống khác
liên quan đến việc sử dụng các sóng điện từ. Anten hoạt động như một thuộc tính
được biết đến như sự tác động qua lại, có nghĩa là một anten sẽ duy trì các đặc điểm
giống nhau không phân biệt nếu nó được truyền hoặc nhận.
Các nhà khai thác đang tìm kiếm các loại anten có thể hoạt động trên nhiều
dải tần hoặc cấu hình lại được theo yêu cầu về những thay đổi trên hệ thống. Hơn
nữa một số ứng dụng đòi hỏi phải có tính thẩm mỹ trong việc thiết kế anten. Đặt ra
yêu cầu càng thu nhỏ anten càng tốt.
Hiện nay nhiều thiết bị di động sử dụng anten có kích thước một phần tư
bước sóng mà chủ yếu là các phần của dây bức xạ cắt theo chiều dài xác định. Mặc
dù đơn giản nhưng chúng có tính chất bức xạ tuyệt vời. Tuy nhiên đối với các hệ
thống hoạt động ở 900 MHz như GSM, chiều dài của anten một phần tư bước sóng
1


là quá dài so với kích thước thiết bị, đặt ra một mối phiền toái cho người sử dụng.
Anten vi dải sẽ có lợi thế cao để thiết kế một anten với đặc tính bức xạ tương tự như
anten một phần tư bước sóng trong khi vẫn giữ các đặc tính bức xạ của nó. Những

xu hướng hiện nay về khoa học công nghệ truyền thông không dây cũng có thể
được hưởng lợi. Ngày càng có nhiều hệ thống đã được giới thiệu trong đó tích hợp
nhiều công nghệ. Chúng thường yêu cầu để vận hành ở nhiều dải tần số, do đó
chúng cần một hệ thống anten đáp ứng yêu cầu trên.
Giờ đây đã có nhiều quan tâm đến anten bức xạ vi dải. Bởi vì tính đơn giản
và khả năng tương thích với công nghệ in mạch, anten vi dải đã được sử dụng rộng
rãi trong các loại anten. Đơn giản chỉ cần một anten vi dải là một hình chữ nhật
hoặc hình dạng khác, với bề mặt bức xạ kim loại trên bề mặt nền điện môi. Anten
bức xạ vi dải hấp dẫn trong các ứng dụng anten với nhiều lý do. Chúng chế tạo dễ
dàng và rẻ tiền để sản xuất, trọng lượng nhẹ, và phẳng dễ thích hợp vào thiết bị.
Ngoài ra chúng có thể được sản xuất hoặc như là một phần tử độc lập hoặc là một
phần của một mảng. Tuy nhiên những ưu điểm trên thì bù lại là hiệu quả thấp và
băng thông hạn chế.
1.2 Lý thuyết chung về anten
1.2.1 Giới thiệu
Một anten được định nghĩa bởi từ điển của Webster như là "một thiết bị
thường bằng kim loại (như một que hoặc dây) để bức xạ hoặc nhận sóng vô tuyến".
Các tiêu chuẩn IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std. 145
1983) định nghĩa anten là "một phương tiện để bức xạ hoặc nhận sóng radio".
Nhiều cấu trúc khác nhau có thể hoạt động như anten. Nói chung anten được
xây dựng trên vật liệu điện dẫn và có thể được xây dựng trong nhiều hình dạng và
kích cỡ. Kích thước có liên quan đến các bước sóng hoạt động của các anten. Một
anten được thiết kế để hoạt động ở 10 kHz là hầu như luôn luôn lớn hơn nhiều so
với một anten được thiết kế để hoạt động ở 10 GHz.
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

2

không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng
điện từ gọi là fider. Trong hệ thống này máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện
cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fider 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 fider tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và fider 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 [1]

Hinh 1.2 Mạch điện tương đương [1]
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 Z C , và anten được thể hiện bởi tải Z A , trong đó Z A = ( RL + RR ) + JX A . Trở

3


kháng tải RL thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn, hai thành phần mất mát
này luôn gắn với cấu trúc anten. Trở kháng RR được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể
hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten. Điện kháng X A thể hiện phần ảo của trở
kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten. Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn có
trường điện từ dao động ở gần anten, ràng buộc với anten. Phần công suất này không
bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển
thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn. Công
suất này gọi là công suất vô ích, và được biểu thị thông qua điện kháng X A . Trong

điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở
kháng bức xạ RR .
Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các mất mát do điện môi
và mất mát do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như
tùy theo sự mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp
điện giữa đường truyền và anten.
Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào
anten. Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa
nhau tạo thành sóng đứng 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
4


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.
Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ

thống không dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo
một vài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác. Do đó, anten cũng cần
phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính. Hơn nữa anten cũng phải có các
hình dạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể.
Anten là một lĩnh vực hấp dẫn. Công nghệ anten đã là một phần không thể
thiếu trong các giải pháp truyền thông. Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thời
gian cách đây hơn 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay, tuy nhiên các kết quả mới đạt
được ngày nay đưa tới những cải thiện về các thông số của anten. Những bước cải
tiến các thông số hiệu suất hệ thống ngày càng lớn hơn.
1.2.2 Các thông số cơ bản của anten
Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự
bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định
hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, …
1.2.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra. Một
trường là trường cảm ứng (trường gần) trường này ràng buộc với anten, còn trường
kia là trường bức xạ (trường 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
trương xa chỉ có trường bức xạ là được duy trì. Trường xa gồm hai thành phần là điện
trường và từ trường.
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.
5


1.2.2.2 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.

Hình 1.3 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]
Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: "là một hàm toán học
hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten và là hàm của các tọa độ
không gian". Trong hầu hết các trường hợp giản đồ bức xạ được xét ở trường xa. Đặc
tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian hai chiều hay ba chiều,
sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán
kính không đổi. Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình
1.3. Trong thực tế ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D. Thông thường
chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến ( θ ) với vài giá trị đặc biệt của ( φ ) và giản
đồ là hàm của ( φ ) với một vài giá trị đặc biệt của ( θ ) là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần
thiết.
1.2.2.3 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
6


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.
Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình
1.4. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa
vector H (azimuth plane) với  f ( φ ) ,θ = π / 2  và hướng tính trong mặt phẳng
chứa vevtor E (elevation plane) với  g ( θ ) , φ = const  .

Hình 1.4 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1]

Mặt phẳng E được định nghĩa là "mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng
bức xạ cực đại", và mặt phẳng H được định nghĩa là "mặt phẳng chứa vector từ
trường và hướng bức xạ cực đại". Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế
nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các
mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z).
1.2.2.4 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các
thùy, có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau. Hình 1.5(a)
minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ. Một vài thùy có cường
độ bức xạ lớn hơn các thùy khác. Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy.
Hình 1.5(b) thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 1.5(a)).
Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính) được định nghĩa là "thùy chứa
hướng bức xạ cực đại". Trong hình 1.5, thùy chính đang chỉ theo hướng θ = 0 . Có
thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính. Thùy phụ là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy
7


chính. Thông thường thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định hướng ở bán
cầu theo hướng của chùm chính. Thùy sau là "thùy bức xạ mà trục của nó tạo một
góc xấp xỉ 180 độ so với thùy chính. Thường thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theo
hướng ngược với thùy chính. Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng không
mong muốn, và chúng phải được tối thiểu hóa. Thùy bên thường là thùy lớn nhất
trong các thùy phụ. Cấp của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất
theo hướng của thùy đó với mật độ công suất của thùy chính. Tỉ số này được gọi là tỉ
lệ thùy bên hay cấp thùy bên.

Hình 1.5 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính [1]
(a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten
(b). Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó

8


1.2.2.5 Mật độ công suất bức xạ
Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin qua môi trường vô tuyến
hay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác. Đại lượng được sử dụng để mô tả
năng lượng kết hợp với sóng điện từ là vector Poynting tức thời được định nghĩa như
sau:
W = E×H

(1.1)

Trong đó: W là vector Poynting tức thời (W/m );
E là cường độ điện trường tức thời (V/m);
H là cường độ từ trường tức thời (A/m).
Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách tích phân
thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó. Phương
trình là:
P=Ò
∫∫ W .ds = Ò
∫∫ W.n.da
S

(1.2)

Trong đó:
P là tổng công suất tức thời (W);
n là vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt;
da là vi phân diện tích của bề mặt (m ).
Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung

bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ.
Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng e jωt , ta định nghĩa các trường
phức E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H bởi công thức:
E ( x, y, z ) = Re  E ( x, y , z ) e jωt 

(1.3)

H ( x, y , z ) = Re  H ( x, y , z ) e jωt 

(1.4)

Ta có : Re  Ee jωt  =

1
 Ee jωt + E ∗e − jωt 
2

Khi đó (1.1) có thể được viết lại là:
W = E×H =

1
1
Re  E × H ∗  + Re  E × He j 2ωt 
2
2

(1.5)

Thành phần đầu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian, và thành phần
thứ hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng hai lần tần số ω cho trước. Vector

9


Poynting trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viết
lại là:
1
Wav ( x, y , z ) = W ( x, y, z )  av = Re  E × H ∗ 
2

(W / m )
2

(1.6)

Thành phần một phần hai xuất hiện trong (1.5) và (1.6) bởi vì các trường E và H
tính theo biên độ. Dựa trên định nghĩa (1.6), công suất trung bình bức xạ bởi anten
(công suất bức xạ) có thể được định nghĩa là:
Prad = Pav = Ò
∫∫ W .ds = Ò
∫∫ Wav .n.da =
S

S

1
Re ( E × H ∗ ) ds
Ò
∫∫
2 s

(1.7)

1.2.2.6 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 = r 2Wrad

(1.8)

Trong đó : U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc);
Wrad là mật độ bức xạ (W/m2).
Cường độ bức xạ cũng có quan hệ với điện trường trong trường xa của anten bởi:
U ( θ ,ϕ ) =

≈

r2
| E0 ( r ,θ , ϕ ) |2 + | Eϕ (r ,θ , ϕ ) |2 
2η

1
| E0 ( θ ,ϕ ) |2 + | Eϕ (θ ,ϕ ) |2 
2η

(1.8a)

Trong đó : η là trở kháng sóng của môi trường;
e − jkr

E ( r ,θ ,ϕ ) = E (θ ,ϕ )
là cường độ điện trường trong trường xa của anten;
r
Eθ , Eφ là các thành phần điện trường trong trường xa của anten.
Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ, như được
cho bởi (1.8) trên toàn góc đặc 4π do đó:

Prad = Ò
∫∫ Ud Ω = ∫
S

2π

0

10

∫

π

0

U .sin θ dθ dϕ

(1.9)


Ở đây d Ω,sin θ dθ dφ là một vi phân góc đặc.
1.2.2.7 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 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 ( U 0 ) .
D=

U 4π U
=
U0
Prad

(1.10)

Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau:
Dmax = D0 =

U 4π U max
=
U0
Prad

(1.10a)

Trong 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);

U max là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc);
U 0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc);
Prad là tổng công suất bức xạ (W).
Với nguồn đẳng hướng, hiển nhiên từ (1.10) hay (1.10a) ta nhận thấy rằng
hướng tính bằng 1 khi U, U max và U 0 bằng nhau.
Với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ số
định hướng riêng, theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước, là tỉ lệ của
cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức
xạ trung bình trên tất cả các hướng. Với định nghĩa này, thì theo một hướng cho
trước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng riêng”. Trong hệ tọa
độ cầu, hướng tính cực đại D0 với các thành phần tọa độ θ và φ của anten có thể
được viết là:
11


D0 = Dφ + Dθ

(1.11)

Trong đó hệ số định hướng riêng Dθ và Dφ được biểu diễn bởi:
Dθ =

4π Uθ
( Prad ) θ + ( Prad ) ϕ

(1.11a)

Dθ =

4π Uθ

( Prad ) θ + ( Prad ) ϕ

(1.11b)

Trong đó:
U φ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc φ ;
Uθ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc θ ;

( Prad ) φ là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào φ ;
( Prad ) θ

là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào θ .

1.2.2.8 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).
Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten
chia cho 4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ
bằng công suất đặt vào anten).
G = 4π

U ( θ ,ϕ )
(Không thứ nguyên)

Pin

(1.12)

Tổng công suất bức xạ ( Prad ) có quan hệ với tổng công suất đặt vào anten
( Pin ) bởi:
Prad = ecdPin

(1.13)
12


Ở đây, ecd là hiệu suất bức xạ của anten (không thứ nguyên). Sử dụng (1.13) biến
đổi (1.12) thành:
 U ( θ ,ϕ ) 
G ( θ , ϕ ) = ecd  4π

Prad 


(1.14)

Sử dụng công thức (1.10), ta có:
G ( θ , ϕ ) = ecd D ( θ , ϕ )

(1.15)

Giá trị cực đại của hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng cực đại bởi:
G0 = G (θ ,ϕ ) |max = ecd D ( θ ,ϕ ) |max = ecd D0

(1.16)

Cũng như đối với hệ số định hướng, ta định nghĩa hệ số tăng ích riêng
(partial gain) của anten theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước như
sau: “phần cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng
cường độ bức xạ khi anten bức xạ đẳng hướng”. Với định nghĩa này, thì theo một
hướng cho trước “tổng hệ số tăng ích là tổng của các hệ số tăng ích riêng”. Trong hệ
tọa độ cầu, hệ số tăng ích cực đại G0 theo các thành phần trực giao θ và φ của
anten có thể được viết như sau, theo dạng tương tự như hệ số định hướng cực đại
trong (1.11a) và (1.11b):
G0 = Gφ + Gθ

(1.17)

Trong khi các hệ số tăng ích riêng Gθ và Gφ được biểu diễn bởi:
Gθ =
Gϕ =

4π Uθ
Pin

(1.17a)

4π U ϕ

(1.17b)

Pin

Trong đó: Pin là tổng công suất đưa vào anten;

Uθ 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 Eφ
.
Thường thì hệ số tăng ích được biểu diễn theo khái niệm dB thay vì không có thứ
nguyên như trong công thức (1.16). Công thức tương ứng được cho bởi:
G0 ( dB ) = 10log10 [ ecdD0 ]

13

(1.18)


1.2.2.9 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 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.
BW =

f max
f min

(1.19)

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.

BW =

f max − f min
f0

(1.20)

Bởi vì các đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phân
cực, … của anten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định nghĩa
băng thông khác nhau. Tùy từng ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten
được chọn thế nào cho phù hợp.
1.2.2.10 Phân cực
Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là
phân cực của sóng được truyền đi bởi anten. Chú ý: khi không đề cập tới hướng
nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại”. Sự phân
cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời, và
hướng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng.
Phân cực phân thành 3 loại: thẳng, tròn và ellip. Nếu đầu mút vector điện
trường ở một điểm trong không gian luôn hướng theo một đường thẳng, trường này
được gọi là phân cực tuyến tính. Tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra là
một elip, và trường được gọi là phân cực ellip. Phân cực tuyến tính và tròn là truờng

14


hợp đặc biệt của phân cực elip. Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim
đồng hồ gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ gọi là phân cực trái.

Trường tức thời của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm trục z, có
thể được biểu diễn như sau:
e ( z , t ) = φx E x ( z , t ) + φx E x ( z , t )

(1.21)

Các thành phần tức thời có quan hệ với các thành phần phức của nó bởi:

E x ( x, t ) = Re  E x − e j (ωt + kz )  = Re  E x 0e j (ωt +kz +ϕx 

= Ex 0cos (ωt + kz + ϕ x )
Ey ( y, t ) = Re  E y − e j (ωt + kz )  = Re  E y 0e
= E y 0 cos(ωt + kz + ϕ y )

(1.22)
j (ωt + kz +ϕ y )



(2.23)

Ở đây Exo và E yo tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục
x và y.
Phân cực thẳng
Để sóng bức xạ phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa 2 thành phần
phải là:
∆ϕ = ϕ y − ϕ x = nπ ,

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

(1.24)

Phân cực tròn
Phân cực tròn có thể đạt được chỉ khi biên độ của 2 thành phần là giống
nhau, và sự khác pha theo thời gian giữa chúng phải bằng số lẻ lần π/2, tức là:
ex = e y ⇒ E x 0 = E y 0

(1.25)

 1
 + ( 2 + 2n)π
∆ϕ = ϕ y − ϕ x = 
 −( 1 + 2n)π
 2

(1.26)

Nếu hướng truyền sóng bị đảo ngược (ví dụ, theo hướng +z), các độ lệch pha trong
(1.26) cho hướng CW và CCW phải trao đổi cho nhau.
Phân cực ellip
Phân cực ellip có thể đạt được chỉ khi độ lệch pha theo thời gian giữa 2 thành
phần là một số lẻ lần π/2 và biên độ của chúng không bằng nhau hay độ lệch pha

15


giữa 2 thành phần không là bội của

π
(không quan tâm đến biên độ của chúng). Đó

2

là:

Hay là :

ex ≠ e y ⇒ E x 0 ≠ E y 0

(1.27)

 1
+ ( 2 + 2n)π
∆ϕ = ϕ y − ϕ x = 
−( 1 + 2n)π
 2

(1.28)

> 0
n
∆ϕ = ϕ y − ϕ x ≠ ± π = 
2
< 0

(1.29)

Với phân cực ellip, đường cong được quét ở một vị trí cho trước như một
hàm theo thời gian, và nói chung nó là một ellip. Tỉ lệ bán trục lớn và bán trục nhỏ
của ellip được gọi là hệ số trục (axial ratio, AR), và bằng với:
AR =

major _ axis OA
=
, 1 ≤ AR ≤ ∞
min or _ axis OB

(1.30)

Ở đây:

{

}

1/2

{

}

1/2

1/2 
1
OA =  E x20 + E y20 +  Ex40 + E y40 + 2 Ex20 E y20cos (2∆ϕ )  
2


1/2 
1

OB =  E x20 + E y20 −  Ex40 + E y40 + 2 Ex20 E y20cos (2∆ϕ )  
2


(1.31)
(1.32)

Độ nghiêng của ellip, có quan hệ với trục y, được thể hiện bởi góc cho bởi:

τ=


π 1 −1  2 E x 0 E y 0
− tan  2
cos
(
∆
ϕ
)

2
2 2
 Ex 0 − E y 0


(1.33)

Khi ellip thẳng với các trục chính [ τ = nπ / 2, n = 0,1, 2,...] trục chính (phụ) bằng
với Ex 0 ( E yo ) hay E y 0 ( Exo ) và tỉ lệ trục (AR) bằng : Ex 0 / E y 0 hoặc E y 0 / Ex 0 .
1.2.2.11 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
16


trên dòng điện ở đầu vào này, không có tải, xác định trở kháng của anten như sau:
Z A = RA + jX A
Trong đó:

(1.34)

Z A là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm);
RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm);
Z A là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm).

Nói chung, thành phần điện trở trong (1.34) bao gồm 2 thành phần là:
RA = RR + RL
Trong đó:

(1.35)

RR là trở kháng bức xạ của anten;
RL trở kháng mất mát 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.
1.3 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).

Hình 1.6 Anten vi dải [2]

17