Anten phan cuc tron cho mang WLAN

Trng HCN HQG H Ni

Khoỏ lun tt nghip

Đại học quốc gia hà nội
trờng đại học công nghệ

Nguyễn Gia Lợi

THIếT Kế Anten mạch dải phân cực tròn
DùNG CHO MạNG hệ wlan

Khoá luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành: Viễn thông

Hà nội 2005


Trng HCN HQG H Ni

Khoỏ lun tt nghip

ĐạI HọC QuốC GIA Hà NộI
TRƯờng đại học công nghệ

Nguyn Gia Li

THIếT Kế ANTEN MạCH DảI PHÂN CựC
TRòN DùNG CHO MạNG wLAN

KHOá LUậN TốT NGHIệP ĐạI HọC Hệ CHíNH QUY

Ngành: Viễn thông

Cán bộ hớng dẫn: GS.TSKH Phan Anh
Cán bộ đồng hớng dẫn: CN.Trần Ngọc Hng

Hà nội - 2005


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

TÓM TẮT NỘI DUNG
Trong kĩ thuật vô tuyến truyền tin ăngten là bộ phận quan trọng không thể
thiếu được trong việc thu phát thông tin, hình ảnh, âm thanh...giữa các thiết bị cần
kết nối.Trong hệ thống mạng không dây, loại ăngten đơn giản và được sử dụng
nhiều nhất là ăngten dạng tấm phẳng. Khoá luận này trình bày về một loại ăngten
như vậy: ăngten mạch dải tấm phẳng hình chữ nhật phân cực tròn. Ưu điểm đặc
biệt của ăngten này là khi hướng thu thay đổi thì ăngten vẫn có thể bắt được tín
hiệu. Lý thuyết đường dây được sử dụng để tính toán cho các thông số đặc trưng và
kích thước của ăngten. Đó là mẫu ăngten được thiết kế nhằm phục vụ cho các ứng
dụng trong hệ thống WLAN với tần số trung tâm f = 2.43GHz, thuộc băng tần thấp
ISM (2.4000Ghz – 2.4835Ghz).


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt bốn năm học vừa qua, dưới mái trường ĐHCông Nghệ - ĐHQG
Hà nội em đã học hỏi, trau dồi được nhiều kiến thức và biét bao nhiêu điều bổ ích.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá
trình học tập và thực hành.
Hôm nay em đã hoàn thành xong bản khoá luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Anh đã giúp đỡ em biết cách hiểu và
nghiên cứu đề tài này. Em cũng xin chân thành cảm ơn anh Trần Ngọc Hưng đã
nhiệt tình trực tiếp giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khoá luận. Cảm ơn các anh
chị trong phòng viễn thông.

Nguyễn Gia Lợi


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
TÓM TẮT NỘI DUNG ....................................................................................................
GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I : HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC
TRƯNG CỦA ĂNGTEN................................................................................................ 3
1.1. Hệ phương trình Maxell ....................................................................................................3
1.2. Các thông số đặc trưng của Ăngten...................................................................................7

1.2.1. Trở kháng vào của Ăngten............................................................................ 7
1.2.2. Đồ thị phương hướng biên độ....................................................................... 7
1.2.3. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích............................................................ 10
1.2.3.1. Hệ số định hướng.....................................................................................10

1.2.3.2. Hệ số tăng ích. .........................................................................................11
1.2.3.3. Hàm phương hướng của hệ ăngten..........................................................12

1.2.4. Hệ số phẩm chất, độ rộng băng tần và hiệu suất ........................................ 14
CHƯƠNG II :LÝ THUYẾT ĂNGTEN MẠCH DẢI................................................ 16
2.1. Những đặc tính cơ bản.....................................................................................................16
2.2. Các phương pháp tiếp điện cho Ăngten mạch dải...........................................................18
2.3. Các phương pháp phân tích .............................................................................................20
2.4. Phân tích Ăngten mạch dải theo phương pháp hốc cộng hưởng .....................................21
2.5. Phân cực tròn ...................................................................................................................32

CHƯƠNG III. THIẾT KẾ ĂNGTEN MẠCH DẢI PHÂN CỰC TRÒN DÙNG
TRONG MẠNG WLAN .............................................................................................. 38
3.1. Lý thuyết đường dây.......................................................................................................38

3.1.1. Hiệu ứng đường biên .................................................................................. 38
3.1.2. Kích thước hiệu dụng và tần số cộng hưởng .............................................. 39
3.1.3 Điện dẫn....................................................................................................... 40


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

3.1.4. Phối hợp trở kháng...................................................................................... 42
3.2. Mô hình thiết kế và các kết quả.......................................................................................46

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 52
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 49

Phụ lục 1. Mô hình thiết kế ăngten mạch dải phân cực tròn sử dụng phần mềm
Ansoft Designer......................................................................................................................49
Phụ lục 2. Hệ số phản xạ (RL) của ăngten .............................................................................49
Phụ lục 3. Hệ số sóng đứng (VSWR) của ăngten...................................................................50
Phụ lục 4. Phân bố dòng trên bề mặt của ăngten....................................................................50
Phụ lục 5. Giản đồ bức xạ của ăngten ....................................................................................51


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1-1. Đồ thị phương hướng của ăngten trong tọa độ cực và toạ độ vuông góc ....... 9
Hình 1-2. Đồ thị phương hướng của Ăngten................................................................ 13
Hình 1-3. Băng tần ........................................................................................................ 15
Hình 2-1 Ăngten mạch dải và hệ toạ độ ........................................................................ 17
Hình 2-2 Các dạng ăngten điển hình ............................................................................. 18
Hình 2-3 Các phương pháp tiếp điện............................................................................. 20
Hình 2-4. Các mạch điện tương đương ứng với các loại tiếp điện................................ 20
Hình 2-5. Sự phân bố điện tích và hình thành mật độ dòng.......................................... 21
Hình 2-7. Cấu hình trường ăngten mạch dải ................................................................. 26
Hình 2-8. Mật độ dòng tương đương cho bốn mặt bên ................................................. 27
Hình 2-9 Khe bức xạ và mật độ dòng từ tương đương.................................................. 29
Hình 2-10.Phổ bức xạ trên các mặt phẳng cơ sở........................................................... 29
Hình 2-11a. Mật độ dòng trong các khe của tấm mạch dải........................................... 30
Hình 2.11b. Phổ bức xạ trên mặt phẳng E và H của ăngten mạch dải .......................... 32
Hình 2-12:Tạo phân cực tròn cho tấm tròn và tấm hình chữ nhật ................................ 33
Hình 2-13: Tạo phân cực tròn với tấm vuông,a) Tiếp điện vào góc tấm vuông
b) ,c) Tiếp điện bằng các cực dò dịch chuyển........................................................ 35

Hình 2-14: Tạo phân cực tròn với khe nhỏ nằm giữa tấm ............................................ 37
Hình 2-15: Tạo phân cực tròn với tấm vuông cắt góc và tấm Elíp ............................... 37
Hình 3-1. Đường vi dải, đường sức điện trường và hằng số điện môi hiệu dụng......... 39
Hình 3-2. Quan hệ giữa εreff và tần số .......................................................................... 39
Hình 3-3. Chiều dài hiệu dụng và chiều dài vật lý của ăngten...................................... 40
Hình 3-4. Ăngten chữ nhật và phương pháp đường dây ............................................... 41
Hình 3-5. Dẫn nạp G là một hàm của độ rộng khe........................................................ 42
Hình 3-6. Phương pháp đường dây .............................................................................. 45


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

GIỚI THIỆU
Hiện nay khoa học kỹ thuật phát triển hết sức nhanh chóng đặc biệt là kỹ thuật vô
tuyến điện. Trong sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến điện thì không thể không đề cập đến
vấn đề thiết kế Ăngten.
Năng lượng điện từ truyền trong không gian có thể thực hiện theo hai cách:
• Dùng các hệ truyền dẫn nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song
hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi… Sóng
truyền trong hệ thống này gọi là sóng điện từ ràng buộc
• Bức xạ sóng ra không gian. Sóng được truyền trong không gian là sóng điện từ
tự do.
Ăngten là bộ phận không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào. Ví
dụ như một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm: máy phát,máy thu, Ăngten phát,
Ăngten thu. Đường truyền năng lượng điện từ giữa máy phát và Ăngten phát cũng như
giữa máy thu và Ăngten thu gọi là Fiđe. Trong hệ thống này máy phát có nhiệm vụ tạo ra
sóng điện từ cao tần để cấp cho Ăngten phát, Ăngten có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ
ràng buộc truyền trong fiđe thành sóng điện từ tự do truyền trong không gian. Cấu trúc

của Ăngten phát sẽ quyết định đặc tính biến đổi của sóng điện từ trong không gian.
Ăngten thu có nhiệm vụ thu sóng điện từ tự do trong không gian biến đổi thành
sóng điện từ ràng buộc trong fiđe. Ăngten được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vô
tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến điều khiển từ xa…
Ăngten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau.
Với các đài phát thanh và đài truyền hình thì Ăngten bức xạ đồng đều trong mặt phẳng
ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tin hiệu của
đài phát . Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển
thì yêu cầu Ăngten bức xạ với hướng tính cao. Tóm lại Ăngten là một thiết bị rất quan
trọng trong hệ thống thông tin vô tuyến điện, không chỉ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng
điện từ mà còn bức xạ theo hướng xác định.
Sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin rađa điều khiển … cũng đòi
hỏi Ăngten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham
gia vào quá trình gia công tín hiệu.
Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

1


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị Ăngten được biểu diễn trong
hình vẽ bên dưới.

Hệ thống
cung cấp

Hệ thống

bức
xạ

Hệ thống
cảm thu

Hệ thống
gia công
tín

Máy
phát

Thiết
bị
điều chế

Thiết bị
xử lý
tín hiệu

Máy
thu

Ăngten phát
Hệ thống phát

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

Ăngten thu

Hệ thống thu

2


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

CHƯƠNG I : HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC THÔNG
SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĂNGTEN
1.1. Hệ phương trình Maxell
Có thể nói rằng toàn bộ lý thuyết Ăngten được xây dựng trên cơ sở những phương
trình cơ bản của điện động lực học: Đó là các phương trình Maxell. Các phương trình này
có ý nghĩa rất quan trọng trong lý thuyết nghiên cứu về trường điện từ biến thiên và có
khả năng có thể tạo ra sóng điện từ trong không gian .Cho đến năm 1887 khả năng đó đã
được Hertz thực hiện bằng thực nghiệm với việc tạo ra phần tử bức xạ mang tên ông:
Dipol Hertz.
Chúng ta khảo sát sơ bộ về hệ phương trình Maxell.
Các phương trình Maxell dưới dạng vi phân có thể biểu diễn dưới dạng:
rotH = iωε p E + J e
rotE = − iωµ H

ρe
divE =
ε
divH = 0

⎫
⎪

( II ) ⎪
⎪
⎬
( III )⎪
⎪
( IV ) ⎪⎭

(I )

(1.1)

trong đó:

E , biên độ phức của véctơ cường độ điện trường,
H , biên độ phức của vectơ cường độ từ trường,
ε p = ε (1 − i

ampe A
( );
met m

σ
) , hệ số điện thẩm phức của môi trường;
ωε

ε , hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường,

Đối với môi trường chân không ε = ε 0 =
µ , hệ số từ thẩm của môi trường,

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

von V
( );
met m

fara F
( );
met m)

10 −9 F
;
36π m

henri H
( );
met m
3


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

Đối với chân không, µ = µ 0 = 4π .10 −7
σ , điện dẫn suất của môi trường,

H
;
m

simen Si
( );
met m

J e , biên độ phức của vectơ mật độ dòng điện,

ρ e , mật độ khối của điện tích,

ampe
A
( 2 );
metvuong m

culon C
( ).
metkhoi m 3

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một
số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm
vào hệ phương trình Maxell các đại lượng dòng từ và từ tích. Tất nhiên các khái niệm này
chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không có thật trong thiên nhiên.
Hệ phương trình Maxell khi không có dòng điện và điện tích ngoài nhưng có dòng
từ và từ tích ngoài được viết dưới dạng:
rotH = iωε p E
rotE = − iωµH − J m
divE = 0
divH =

ρm

µ

(I ) ⎫
⎪
( II ) ⎪
⎪
( III )⎬
⎪
( IV ) ⎪
⎪⎭

(1.2)

trong đó:
J m , biên độ phức của mật độ dòng từ,

ρ m , mật độ khối của từ tích,

von
V
( 2);
metvuong m

vebe Vb
( );
metkhoi m 3

Như vậy, trong trường hợp tổng quát, hệ phương trình Maxell có thể được viết
dưới dạng:

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

4


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

rotH = iωε p E + J e
rotE = −iωµ H − J m

ρe
ε
ρm
divH =
µ
divE =

⎫
⎪
⎪
⎪⎪
⎬
⎪
⎪
⎪
⎪⎭

(1.3)

Trường hợp nguồn trường là nguồn ( J m = 0; ρ m = 0 ) thì (1.3) sẽ trở thành (1.1);
hoặc nếu chỉ bao gồm nguồn từ ( J m = 0; ρ e = 0 ) thì (1.3) sẽ trở thành (1.2). Lời giải của
hệ tổng quát sẽ nhận được bằng cách xếp chồng lời giải của hai hệ (1.1) và (1.2).
Để giải (1.1), ta đưa vào vector thế điện A e . Theo (IV) trong hệ (1.1) ta có thể viết:
H = rotA e

(1.4)

Lời giải của (1.1) có thể biểu diễn qua vector thế điện A e dưới dạng:
E = −iωµA e +

1
iωε

grad divA e

(1.5)

p

Để giải (1.2), ta đưa ra vector thế từ A m , ta có:
E = − rotA m

(1.6)

Tương tự, lời giải của (1.2) được biểu diễn qua vector thế từ dưới dạng:
H = −iωε p A m +

1

iωµ

grad divA m

(1.7)

Trường hợp nguồn trường bao gồm cả nguồn điện và nguồn từ, ta sẽ nhận được:
E = −iω µA e +

H = −iωε

p

1
iωε p

Am +

grad divA e − rotA m

1
iωµ

grad divA m + rotA e

(1.8)
(1.9)

Thay các lời giải cho E và H nhận được ở trên vào hai phương trình đầu của (1.3)
ta sẽ nhận được phương trình sóng của các vector thế điện và từ:

∆A e + k 2 A e = − J e ⎫⎪
⎬
∆A m + k 2 A m = − J m ⎪⎭

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

(1.10)

5


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

ở đây, ∆A = grad divA − rot rotA
k = ω ε pµ =

ω
v

( v là vận tốc pha của sóng trong môi trường).

Các biểu thức (1.10) cho ta lời giải dưới dạng thế chậm:
A e,m =

− ikr
1
e,m e
J

dV
4π V∫
r

( 1.11)

r là khoảng cách từ điểm xác định A e hoặc A m đến điểm nguồn, nghĩa là đến điểm
có dòng điện hoặc dòng từ trong thể tích V.
e −ikr là số hạng biểu thị góc chậm pha của vector thế A e và A m ở khoảng cách r so

với nguồn. Trong đó kr là góc chậm pha, k là hệ số chậm pha. Đối với chân không:
k = k0 =

ω
c

=

2π

λ0

c = 3.108 m / s là vận tốc ánh sáng trong chân không

λ0 là bước sóng trong chân không.

Nếu dòng điện hoặc dòng từ phân bố trên mặt S thì các thế chậm sẽ được tính theo
công thức:
A

e,m

− ikr
1
e,m e
J
=
dV
r
4π ∫

(1.12)

Nếu dòng điện hoặc dòng từ phân bố theo đường l thì:
A e,m =

− ikr
1
e,m e
J
dl
4π ∫l
r

(1.13)

Phân bố trường sẽ được xác định khi tính các vector thế chậm theo các công thức
trên.

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

6


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

1.2 Các thông số đặc trưng của Ăngten
1.2.1. Trở kháng vào của Ăngten
Trở kháng vào của Ăngten là giá trị điện trở đầu vào tại điểm tiếp điện của Ăngten
mạch dải.Giá trị đó không thay đổi hoặc nếu thay đổi thì cũng thay đổi chút trong khoảng
băng tần hoạt động của Ăngten.
1.2.2. Đồ thị phương hướng biên độ.
Như phân tích ở trên, trường bức xạ của dòng điện và dòng từ có cường độ phụ
thuộc vào hướng khảo sát. Ta gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ
trường bức xạ theo hướng khảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi là hàm phương
hướng của hệ thống bức xạ và ký hiệu là f (θ , ϕ ) .
Trong trường hợp tổng quát, hàm phương hướng là hàm vectơ phức, bao gồm các
thành phần theo θ và ϕ .
f (θ , ϕ ) = fθ (θ , ϕ )iθ + fϕ (θ , ϕ )iϕ

E=

[

− ik e − ikR
(WGθe + Gϕm )iθ + (WGϕe − Gθm )iϕ
4π R

(1.14)

]

(1.15)

Để nhận được biểu thức của hàm phương hướng, ta khảo sát (1.15) và chú ý rằng
khi cho R không đổi thì sự phụ thuộc của cường độ trường theo hướng khảo sát chỉ có
quan hệ với các số hạng trong dấu ngoặc. Các hệ số không đổi không cần lưu ý tới.
Ta có:
f (θ , ϕ ) = (WGθe + Gϕm )iθ + (WGϕe − Gθm )iϕ

(1.16)

hiển nhiên:
fθ (θ , ϕ ) = WGθe + Gϕm ⎫⎪
⎬
fϕ (θ , ϕ ) = WGϕe − Gθm ⎪⎭

(1.17)

Do đó có thể biểu diễn (1.15) theo hàm phương hướng dưới dạng:
− ik e − ikR
− ik e − ikR
E=
f (θ , ϕ ) =
( fθ iθ + fϕ iϕ )
4π R
4π R

(1.18)

Biểu thức tổng quát của hàm phương hướng phức có thể cho bởi
f (θ , ϕ ) = f (θ , ϕ ) = iθ fθm ei arg fθ + iϕ fϕm e
Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

i arg fϕ

(1.19)
7


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

trong đó fθm và fϕm là biên độ các hàm phương hướng phức fθ và fϕ .
Biên độ của các hàm phương hướng có quan hệ với phân bố biên độ của các thành
phần trường, còn argumen có quan hệ với phân bố pha của trường trên một mặt cầu có
bán kính R, tâm đặt tại gốc tọa độ.
Trường hợp hệ thống bức xạ chỉ bao gồm dòng điện hoặc dòng từ thì hàm phương hướng
có dạng đơn giản và có thể tính trực tiếp từ hàm bức xạ.

Hàm phương hướng biên độ.

Hàm phương hướng biên độ được định nghĩa là biên độ của hàm phương hướng
phức. Trong trường hợp tổng quát thì biên độ của hàm phương hướng có thể là các hàm
có dấu biến đổi khi θ,ϕ thay đổi. Do đó hàm phương hướng biên độ được định nghĩa cụ
thể hơn là modun của hàm phương hướng phức:
f (θ , ϕ ) ≡ f m (θ , ϕ )

(1.20)

nếu biểu diễn theo các thành phần của trường iθ và iϕ sẽ có hàm phương hướng biên
độ thành phần:
fθ (θ , ϕ ) ≡ fθm (θ , ϕ )

(1.21)

fϕ (θ , ϕ ) ≡ fϕm (θ , ϕ )

với quan hệ:
f m (θ , ϕ ) =

fθ2m + fϕ2m

(1.22)

Đồ thị không gian biểu thị sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường được
gọi là đồ thị phương hướng (hay giản đồ hướng tính) không gian. Nói chung dạng của các
đồ thị không gian khá phức tạp. Vì vậy, trong thực tế ta thường biểu thị đặc tính phương
hướng bởi các đồ thị mặt phẳng, nghĩa là bởi thiết diện của đồ thị phương hướng không
gian trong các mặt cắt nào đó. Các mặt cắt này sẽ được chọn sao cho nó phản ánh được
đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ.
Ví dụ khi đồ thị phương hướng có dạng một vật tròn xoay thì có thể chọn mặt cắt
là mặt phẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị. khi đồ thị phương hướng có dạng phức tạp
hơn thì mặt cắt thường được chọn là hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua hướng
cực đại của đồ thị phương hướng. Hướng của trục hệ toạ độ cầu về nguyên tắc có thể
Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

8


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

chọn tuỳ ý nhưng thường được chọn sao cho thích hợp với dạng của đồ thị phương
hướng. Nếu đồ thị phương hướng có trục đối xứng thì tốt nhất là trục toạ độ cũng trùng
với trục ấy. Trong các
trường hợp khác thì sẽ chọn trục toạ độ trùng với hướng cực đại của đồ thị phương
hướng. Biểu thị đồ thị phương hướng trong mặt cắt của đồ thị không gian như trên là biểu
thị trong hệ toạ độ cực.
60°
90°
30°
180°

270°
90° -60° -30°

0° 30° 60° 90°

Hình 1-1. Đồ thị phương hướng của ăngten trong tọa độ cực và toạ độ vuông góc

Ngoài ra, có thể biểu diễn đồ thị phương hướng mặt phẳng theo hệ toạ độ vuông
góc. Khi ấy, các giá trị của fθ và fϕ có thể được biểu thị theo thang tỷ lệ thông thường,
hoặc theo thang tỷ lệ logarit.
Trong thực tế, để thuận tiện cho việc thiết kế và phân tích đồ thị phương hướng
người ta thường dùng đồ thị phương hướng chuẩn hoá. Khi ấy, hàm phương hướng chuẩn

hoá được quy ước là hàm phương hướng (theo định nghĩa) chia cho giá trị cực đại của
modun lấy theo giá trị tuyệt đối. Ký hiệu hàm này là F (θ , ϕ ) , ta có:
F (θ , ϕ ) =

f (θ , ϕ )
f (θ , ϕ )

(1.23)

max

Tương tự, ta có hàm phương hướng biên độ chuẩn hoá đối với các thành phần được
quy ước như sau:
fθm (θ , ϕ ) ⎫
⎪
fθm (θ , ϕ ) max ⎪
⎬
fϕm (θ , ϕ ) ⎪
Fϕ (θ , ϕ ) ≡ Fϕm (θ , ϕ ) =
fϕm (θ , ϕ ) max ⎪
⎭
Fθ (θ , ϕ ) ≡ Fθm (θ , ϕ ) =

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

(1.24)

9

Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

Để so sánh đồ thị phương hướng của các ăngten khác nhau, ta đưa ra khái niệm độ
rộng của đồ thị phương hướng. Theo định nghĩa, độ rộng của đồ thị phương hướng là góc
giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi
đến một giá trị nhất định. Thường độ rộng của đồ thị phương hướng được xác định ở hai
mức: bức xạ không và bức xạ nửa công suất.
Độ rộng của đồ thị phương hướng theo mức không là góc giữa hai hướng mà theo
đó cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không.
Độ rộng của đồ thị phương hướng theo mức nửa công suất là góc giữa hai hướng
mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với cường độ
trường giảm đi

2 lần.

Trong lý thuyết ăngten còn đề cập đến hàm phương hướng, hàm phương hướng
cực tính, hàm phương hướng vectơ phức hợp... song trong khảo sát thực tế, trừ một vài
trường hợp đặc biệt, chúng ta chỉ cần quan tâm đến đồ thị phương hướng biên độ.
1.2.3. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích
Để biểu thị hướng tính của mỗi ăngten, ngoài thông số về độ rộng của đồ thị
phương hướng đã trình bày ở trên, người ta còn sử dụng một vài thông số khác, cho phép
dễ dàng so sánh các loại ăngten với nhau: hệ số định hướng và hệ số tăng ích. Khi ấy,
hướng tính của mỗi ăngten được đánh giá bằng cách so sánh ăngten đó với một ăngten
chuẩn mà hướng tính của nó đã biết trước.
1.2.3.1. Hệ số định hướng
Hệ số định hướng của ăngten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất
bức xạ bởi ăngten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi
ăngten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai

ăngten như nhau.
Ăngten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn
nguyên tố nào đó đã biết. Nếu lấy ăngten chuẩn là nguồn vô hướng thì hệ số định hướng
có thể được định nghĩa như sau:
Hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của ăngten ở
hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

10


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

hướng và khoảng cách như trên khi giả thiết ăngten bức xạ vô hướng, với điều kiện công
suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp.
D(θ1 , ϕ1 ) =

S (θ1 , ϕ1 )
S0

(1.25)

trong đó,

S(θ 1 , ϕ 1 ) là mật độ công suất bức xạ của ăngten ở hướng ( θ 1 ,ϕ1 ) đã cho tại
khoảng cách R;
S0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết

ăngten bức xạ đồng đều theo các hướng.
Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho và
giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc ăngten.
Tính toán cuối cùng cho ta:
D=

π

2π

0

0

∫∫

4πFm2 (θ1 , ϕ1 )
F (θ , ϕ ) sin θ dθ dϕ
2
m

= Dmax Fm2 (θ1 , ϕ1 )

(1.26)

ở đó, Dmax là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại.
Fm2 (θ , ϕ ) là hàm phương hướng chuẩn hoá.

1.2.3.2. Hệ số tăng ích.
Hệ số tăng ích của ăngten cũng đựoc xác định bằng cách so sánh mật độ công suất

bức xạ của ăngten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của ăngten chuẩn
(thường là ăngten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công
suất đặt vào hai ăngten như nhau, còn ăngten chuẩn có hiệu suất bằng 1.
Hiệu suất của ăngten cũng là một thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn
hao công suất của ăngten. Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất
đặt vào ăngten:
ηA =

PΣ
P0

(1.27)

Đối với ăngten có tổn hao thì PΣ hao ) thì ηA=1.
Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

11


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

Trường hợp hai ăngten có công suất đặt vào như nhau, bằng P0 thì ăngten thực
(hiệu suất ηA<1) sẽ có công suất bức xạ ηAP0. Như vậy so với khi công suất bức xạ bằng
nhau thì trong trờng hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng ηA.
Ta có biểu thức hệ số tăng ích của Ăngten :
ε (θ , ϕ ) =

η A S (θ , ϕ )
S0

= η A D(θ , ϕ )

(1.28)

Hệ số tăng ích của ăngten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ
của ăngten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tích định
hướng của ăngten mà còn biểu thị sự tổn hao trên ăngten.
1.2.3.3. Hàm phương hướng của hệ ăngten.
Trong kỹ thuật ăngten, muốn tạo ra các đồ thị phương hướng hẹp thường không thể
dùng một phần tử đơn giản mà phải sử dụng hệ thống phức tạp gồm nhiều ăngten đơn
giản.
Các ăngten đơn giản ở đây có thể là các nguồn bức xạ có hướng hay vô hướng và
được xếp đặt trong không gian theo một trật tự nhất định. Để việc phân tích hướng tính hệ
thống ăngten để thuận tiện ta khảo sát lý thuyết về nhân đồ thị phương hướng. Biểu thức
tổng quát đối với trường bức xạ (ở khu xa) của nguồn bức xạ bất kỳ được xác định bởi:
E=

− ik e − ikR
f (θ , ϕ )
4π R

(1.29)

Ở đây f (θ , ϕ ) là hàm phương hướng vectơ phức của trường tổng, giá trị của hàm
vectơ này phụ thuộc vào phân bố của các dòng nguồn.
Nếu số ăngten phần tử là N thì trường giao thoa tạo bởi hệ thống ở điểm khảo sát
sẽ được xác định bởi:

− ik N e − ikRn
f n (θ , ϕ )
E = ∑ En =
∑
4π n =1 Rn
n =1
N

(1.30)

Rn là khoảng cách từ tâm pha của phương trình thứ n đến điểm khảo sát.
fn(θ,ϕ) là hàm phương hướng của phần tử thứ n.
Nếu giả thiết điểm khảo sát ở khu xa thì trong biểu thức trên có thể thay thế:

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

12


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

1
1
=
Rn R

(1.31)

và thay Rn ở số mũ của thừa số pha bởi:
Rn ≈ R − rn cos θ n

(1.32)

trong đó: R là khoảng cách từ điểm khảo sát đến gốc toạ độ của hệ thống,
rn là bán kính của tâm pha phần tử thứ n
θn là góc giữa vectơ bán kính R và rn. ( Hình 1-2)
Thay (1.32) vào (1.31) ta có:
E=

− ik e − ikR
4π R

N

∑e

ikrn cosθ n

n =1

f n (θ , ϕ )

(1.33)

So sánh (1.33) và (1.29) có thể rút ra hàm phương hướng của hệ thống N phần tử.
Nếu ký hiệu hàm này bởi f N (θ , ϕ ) thì:
N

f N (θ , ϕ ) = ∑ e ikrn cosθ n f n (θ , ϕ )

(1.34)

n =1

z
M(θ,ϕ)
Rn

θn

R

rn

y

ϕ

x

Hình 1-2. Đồ thị phương hướng của Ăngten

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

13


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

1.2.4. Hệ số phẩm chất, độ rộng băng tần và hiệu suất
Ba đại lượng này cho ta cái nhìn tổng quát nhất về ăngten, chúng có mối quan hệ
chặt chẽ với nhau và không thể có sự tối ưu đồng thời. Điều đó có nghĩa là người thiết kế
phải thoả hiệp để đưa ra một cấu hình hiệu quả nhất. Hệ số phẩm chất liên quan đến các
đại lượng suy hao (do bức xạ, kháng trở, vật dẫn điện môi và sóng bề mặt). Kí hiệu hệ số
phẩm chất là Qt ta có
1
1
1
1
1
=
+
+
+
Qt
Q rad
Qc Q d
Q sw

(1.35)

Do lớp điện môi rất mỏng, suy hao do sóng mặt nhỏ không đáng kể và có thể bỏ qua, các
đại lượng còn lại.
Qc = h πfµσ

(1.36)

1
tan δ

Qd =

Q rad =

(1.37)

2ω ε r
K
h Gt / l

(1.38)

tan δ là góc suy hao do vật liệu điện môi, σ là độ dẫn điện liên quan đến tấm phẳng bức
xạ và mặt đế, Gt/l là tổng độ dẫn trên một đơn vị dài của góc bức xạ và
2

K =

∫∫area E dA
∫perimeter

2

E dl

(1.39)

với ăngten chữ nhật
K =

L
4

Gt / l =

G rad
W

Qrad tỷ lệ nghịch với độ dày lớp điện môi, với h mỏng Qrad là đại lượng quan trọng nhất
liên quan đến hệ số phẩm chất.

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

14


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

Độ rộng băng tần tỷ lệ nghịch với hệ số phẩm chất
VSWR:

∆f
fo

=

VSWR − 1
Qt VSWR

∆f
fo

.

=

1
. Tiếp đến là hệ số sóng đứng
Qt

(1.40)

Hiệu suất bức xạ được định nghĩa bằng tỷ số công suất phát với công suất thu, cũng liên
quan đến hệ số phẩm chất của ăngten
ecdsw =

1 / Q rad
Qt
=
1 / Qt
Q rad

(1.41)

Băng tần
Băng tần của Ăngten mạch dải được xác định bằng khoảng tần số mà trong đó các
thống số của Ăngten tương thích theo một tiêu chuẩn nào đó.Băng tần được tính bằng tỉ
số của tần số vao nhất với tần số thấp nhất hoặc theo phần trăm so với tần số trung tâm.Vì
các đặc tính của Ăngten chịu ảnh hưởng nhiều khi tần số thay đổi do đó không có một
định nghĩa duy nhất cho băng tần.

Hình 1-3. Băng tần

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

15


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

CHƯƠNG II :LÝ THUYẾT ĂNGTEN MẠCH DẢI
Các chi tiết cấu tạo trong máy bay siêu thanh, tàu vũ trụ, vệ tinh cũng như các ứng
dụng tên lửa… phải được thiết kế một cách tối ưu thì ăngten mạch dải là giải pháp thu
phát lý tưởng. Ngày nay, ăngten mạch dải xuất hiện trong hầu hết các thiết bị thông tin và
truyền thông nhất là lĩnh vực kết nối không dây. Đây là loại ăngten có kích thước nhỏ
gọn, phù hợp với mọi loại hình dạng , đơn giản và rẻ tiền nhờ sử dụng công nghệ mạch in.
Tuỳ theo cấu tạo khác nhau để có được sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, độ phân cực,
kiểu bức xạ, trở kháng làm việc…Người ta có thể thêm những phần trở tải giữa mặt phát
xạ và mặt đế ( VD như diodes, adaptors,…) để có được các thông số mong muốn.
Tuy nhiên, nhược điểm của loại ăngten này là công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ
nguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một hoặc vài phần trăm). Ta có thể nâng hiệu suất bằng
cách tăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thể

tăng 35%. Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảm công
suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờ giới hạn
bởi lớp điện môi và lớp đế, làm giảm đặc tính phân cực, phát xạ của ăngten. Sóng này có
thể loại trừ mà vẫn giữ được dải tần rộng nếu sử dụng phương pháp hốc cộng hưởng. Khi
đó dải tần được mở rộng đáng kể, có thể lớn hơn dải tần UHF và đây sẽ là sự thoả hiệp
giữa dải tần và độ rộng búp sóng.

2.1. Những đặc tính cơ bản
Ăngten mạch dải gồm một tấm phẳng kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng
truyền trong không gian tự do λo) đặt trên một lớp điện môi có độ dày h (0.003λo ≤ h ≤
0.05λo) dưới cùng là lớp đế bằng đồng. Cấu hình trường (mode hoạt động) sẽ quyết định
hướng bức xạ của ăngten. Ăngten hình chữ nhật , độ dài L (trong khoảng λo/3 < L < λo/2)
được mô tả trên hình 2.1(a).
Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi εr
từ 2.2 ÷ 12. Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của
ăngten: dải tần rộng hơn, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước
ăngten sẽ lớn hơn. Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thích hợp với
các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng như ảnh hưởng
qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước ăngten nhỏ hơn, nhưng hiệu suất thấp, suy
Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

16


Trường ĐHCN – ĐHQG Hà Nội

Khoá luận tốt nghiệp

hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn. Trong khi đó, ăngten mạch dải thường tích hợp với
mạch vi sóng nên bắt buộc phải có sự thoả hiệp.

(a) Ăngten mạch dải

(b) Nhìn từ mặt bên

(c) Hệ tọa độ của khe bức xạ
Hình 2-1 Ăngten mạch dải và hệ toạ độ

Các phần tử bức xạ và nguồn nuôi được quang khắc trên lớp điện môi. Có nhiều
cấu trúc khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, dipole, hình tròn, elip, hình tam
giác…các dạng này đều dễ chế tạo, có đặc tính bức xạ linh hoạt và độ phân cực chéo thấp.

Nguyễn Gia Lợi, K46ĐB

17


Trng HCN HQG H Ni

Khoỏ lun tt nghip

H.vuông

H.chữ nhật

H.tam giác

H.cung tròn

Dipole

H.vành khăn

H.tròn

El

H.mảnh nhẫn

Hỡnh 2-2 Cỏc dng ngten in hỡnh

Cu trỳc dipole rt ph bin do kớch thc nh gn, di tn rng, thng c kt
hp thnh mt h linh hot. H ny c nuụi bi ngun n (hay nhiu ngun kt hp)
cú nh hng cao, kh nng ph súng rng, phõn cc thng hoc trũn.

2.2. Cỏc phng phỏp tip in cho ngten mch di
Cú bn phng phỏp tip in ph bin l: ng vi di, u dũ ng trc, khu
mi ghộp v xp x mi ghộp (hỡnh 2-3). Cỏc mch tng ng ca mi phng phỏp
c mụ t trờn hỡnh 2-4. ng vi di cú rng nh hn nhiu so vi phn t bc x,
d thc hin nhng dy lp in mụi tng s sinh ra súng b mt cng nh nh hng
do bc x ngun nuụi lm gim di tn hot ng xung khong 2-5%.
Phng phỏp u dũ ng trc: Lp kim loi bờn trong trc c ni vi khe bc
x cũn lp bờn ngoi c ni vi mt . nh hng bc x ngun nuụi thp nhng khú
thc hin, di tn hp (nht l vi lp in mụi dy h > 0.02o).
Hai phng phỏp ny cú cu trỳc bt i xng sinh ra bc x xiờn. gii quyt
vn ny, phng phỏp khu mi ghộp khụng tip xỳc c mụ t trờn hỡnh 2-3(c,d).
Khu mi ghộp nh hỡnh 2-3(c) cng cú di tn hp, d thc hin v cú nh hng bc
x va phi. Khu mi ghộp gm hai lp in mụi ngn cỏch nhau bi mt . Di
ỏy lp in mụi bờn di cú mt ng vi di c ghộp vi phn t bc x qua mt
khe trờn mt . Cỏch lm ny trit tiờu nh hng bc x do ngun nuụi. Thụng thng,

lp in mụi bờn di cú hng s in mụi cao hn lp bờn trờn. Ghộp ni c thc hin
bng cỏch phi hp rng ng dõy vi di khe.

Nguyn Gia Li, K46B

18