Thiết kế anten vi dải hình logo trường đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
------ѼѼѼ-------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2018

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI HÌNH
LOGO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Giáo Viên Hướng Dẫn:

ThS. Nguyễn Văn Khởi

Nhóm sinh viên thực hiện:
Đỗ Ngọc Thiện

Điện - Điện tử

Lưu Tiến Lực

Điện - Điện tử

Dương Khánh Linh

Điện - Điện tử

Nguyễn Tuấn Minh

Điện - Điện tử

Nguyễn Thị Tâm

Điện - Điện tử

Hà Nội,năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
------ѼѼѼ-------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2018

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI HÌNH
LOGO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
Giáo Viên Hướng Dẫn:

ThS. Nguyễn Văn Khởi

Nhóm SV

Sinh viên

Mã SV

Đỗ Ngọc Thiện

151413115

Nguyễn Thị Tâm

151411738

Nguyễn Tuấn Minh

151401120

Dương Khánh Linh

151402296

Lưu Tiến Lực

151400233

Lớp
Kỹ thuật viễn
thông K56
Kỹ thuật viễn
thông K56
Kỹ thuật viễn
thông K56
Kỹ thuật viễn
thông K56
Kỹ thuật viễn
thông K56

Khoa
Điện- Điện Tử

Điện- Điện Tử
Điện- Điện Tử
Điện- Điện Tử
Điện- Điện Tử


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................................6
DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT.................................................................................7
MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI........................................12
1.1. Lý thuyết chung về Anten............................................................................................12
1.1.1. Giới thiệu..................................................................................................................12
1.1.2. Hệ phương trình Maxwell.........................................................................................14
1.1.3. Đặc tính bức xạ điện từ của anten.............................................................................15
1.1.4. Đặc tính của đường dây truyền sóng.........................................................................16
1.1.4.1. Bước sóng (Wavelenght)........................................................................................16
1.1.4.2. Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance)......................................................16
1.1.4.3. Phối hợp trở kháng.................................................................................................17
1.1.4.4. Hệ số phản xạ (Γ)...................................................................................................17
1.1.4.5. Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng.............................................................18
1.1.4.6. Tổn hao phản xạ (Return loss)................................................................................18
1.1.5. Các thông số đặc trưng của anten..............................................................................18
1.1.5.1. Trở kháng vào của anten........................................................................................18
1.1.5.2. Hệ số định hướng và độ tăng ích............................................................................19
1.1.5.3. Giản đồ bức xạ (Radiation pattern)........................................................................20
1.1.5.4. Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ........................................................24
1.1.5.5. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương...........................................................26
1.1.5.6. Hiệu suất của anten (et)..........................................................................................26

1.1.5.7. Tính phân cực của anten.........................................................................................27
1.1.6. Dải tần của anten.......................................................................................................28
1.1.7. Các hệ thống anten....................................................................................................29
1.2. Giới thiệu về anten vi dải.............................................................................................30
1.2.1. Các đặc tính của anten vi dải.....................................................................................31
1.2.2. Các loại anten vi dải thông dụng...............................................................................32
1.2.2.1. Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna)......................................................32
1.2.2.2. Anten vi dải lưỡng cực (Microstrip Dipole Antenna).............................................33
1.2.2.3. Anten vi dải khe mạch in (Printed Slot Antenna)...................................................34
1.2.2.4. Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling – Wave Antenna)............................35
1.2.3. Cơ chế bức xạ của anten vi dải..................................................................................35
1.2.4. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải...................................................................38
1


1.2.4.1. Tiếp điện trực tiếp..................................................................................................38
a. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải.................................................................................38
b. Cấp nguồn bằng cáp đồng trục........................................................................................40
1.2.4.2. Tiếp điện gián tiếp..................................................................................................40
a. Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần.........................................................................40
b. Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe.........................................................................41
1.2.5. Băng thông của anten vi dải......................................................................................42
1.2.6. Anten độc lập tần số..................................................................................................44
1.2.6.1. Anten xoắn ốc đẳng góc phẳng (Planar equiangular spiral antenna)......................45
1.2.6.2. Anten xoắn ốc phẳng kiểu Archimedean................................................................48
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI..........................................50
2.1. Mô hình đường truyền sóng.........................................................................................50
2.1.1. Hiệu ứng đường biên và hằng số điện môi hiệu dung...............................................51
2.1.2. Đường truyền vi dải..................................................................................................54
2.1.3. Kích thước của Anten vi dải hình chữ nhật...............................................................58

2.1.4. Tổng trở ngõ vào của Anten vi dải............................................................................60
2.2 Mô hình hốc cộng hưởng..............................................................................................65
2.2.1. Đặc tính trường và mật độ dòng tương đương..........................................................65
2.2.2. Trường bức xạ của Anten vi dải................................................................................70
2.3. Các thông số khác của Anten vi dải.............................................................................75
2.3.1 Độ định hướng...........................................................................................................75
2.3.2 Độ rộng của búp sóng................................................................................................76
2.3.3. Suy hao và hệ số phẩm chất Q..................................................................................77
2.3.4. Hiệu suất bức xạ........................................................................................................78
2.3.5. Băng thông và độ lợi.................................................................................................79
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN HÌNH LOGO TRƯỜNG ĐẠI HỌC
GIAO THÔNG VẬN TẢI ..................................................................................................80
3.1. Giới thiệu về phần mềm HFSS 15.0.............................................................................80
3.2.Nhận dạng tự động........................................................................................................81
3.2.1.Các hệ thống mã vạch................................................................................................83
3.2.2.Nhận dạng chữ viết....................................................................................................83
3.2.3 Các hệ thống sinh trắc học.........................................................................................84
3.2.4. Smart cards................................................................................................................ 85
3.3. RFID............................................................................................................................ 85
3.3.1.Kiến trúc hệ thống......................................................................................................85
3.3.2. Hoạt động.................................................................................................................. 86
3.4 Ăng ten logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến..............................................86
2


3.4.1.Các thông số khác…………………………………………………………………...88
3.4.2.Đồ thị bức xạ……………………………………………………………………….90
3.5.Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải………………………………………93
3.5.1.Tiếp điện bằng cáp đồng trục…………………………………………………….95
3.5.2.Tiếp điện bằng đường truyền vi dải……………………………………………...96

3.6.Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS…………………………………103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................107

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Anten như một thiết bị truyền sóng
Hình 1.2: Mô hình đường truyền sóng
Hình 1.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten
Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten
Hình 1.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten
Hình 1.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa
Hình 1.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính
(a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten
(b). Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó
Hình 1.8: Sự quay của vector điện trường
Hình 1.9: Các loại phân cực
Hình 1.10: Độ rộng băng thông
Hình 1.11: Cấu trúc anten vi dải kiểu phiến
Hình 1.12: Các dạng anten patch vi dải thường dùng
Hình 1.13: Một số dạng khác của anten patch vi dải
Hình 1.14: Anten vi dải lưỡng cực
Hình 1.15: Anten vi dải khen mạch in
Hình 1.16: Anten sóng chạy vi dải
Hình 1.17: Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật
Hình 1.18: Cấu trúc điện từ trường gần phiến patch (E: nét liền; H: nét đứt)
Hình 1.19: Phân bố điện trường của patch ở Mode TM 100

Hình 1.20: Phân bố từ trường của patch ở mode TM 100
(a) Phân bố từ ở khe phát xạ;

(b) Phân bố từ ở khe không phát xạ

Hình 1.21: Anten vi dải với khe bức xạ tương đương
Hình 1.22: Cấu trúc đường truyền vi dải
Hình 1.23: Cấp nguồn dùng trường truyền vi dải
Hình 1.24: Tiếp diện bằng cáp đồng trục
Hình 1.25: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần
Hình 1.26: Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe
Hình 1.27: Các mạng biến đổi trở kháng trong thực tế
4


Hình 1.28: Minh họa lý thuyết vòng bức xạ
Hình 1.29: Anten xoắn ốc mặt theo nguyên lý tự bù
Hình 1.30: Minh họa anten Archimedean 2 cánh tự bù
Hình 2.1: Mô hình đường truyền sóng
Hình 2.2: Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải
Hình 2.3: Đường truyền vi dải
Hình 2.4: Hiệu ứng đường biên của anten vi dải
Hình 2.5: Hằng số điện môi hiệu dung của anten vi dải
Hình 2.6: Đường truyền vi dải
Hình 2.7: Cấu trúc và mô hình truyền sóng (TEM) của đường truyền vi dải [6]
Hình 2.8: Phân bố điện trường
Hình 2.9: Mạch tương đương của mô hình đường truyền sóng
Hình 2.10: Anten vi dải với đường cấp nguồn inset – feed
Hình 2.11: Phân bố điện tích và mật độ dòng trên anten vi dải
Hình 2.12: Mô hình hộp cộng hưởng của anten vi dải

Hình 2.13: Mô hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải
Hình 2.14: Dòng tương đương tại hai khe bức xạ
Hình 2.15: Bức xạ từ một khe
Hình 2.16: Mẫu bức xạ của anten vi dải trong mặt phẳng E và H
Hình 3.17: Cấu trúc của một mã EAN
Hình 3.18: Mã vạch
Hình 3.1: Kiến trúc chung của một thẻ memory card
Hình 3.2: Kiến trúc chung của một thẻ microprocessor card
Hình 3.3: Hệ thống RFID
Hình 3.4: Bộ đọc RFID và thẻ smard card
Hình 3.5: Kiến trúc chung của một transponder
Hình 3.6: Logo của Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Hà Nội
Hình 3.7: Ăng ten vi dải hình chữ nhật
Hình 3.8: Giao diện thiết kế
Hình 3.9: Hệ số tổn hao ngược
Hình 3.10: Đồ thị bức xạ (3D) của ăng ten
Hình 3.11: Tấm bức xạ sử dụng slot và PIN diode
Hình 2.12: Hệ số tổn hao ngược của ăng ten
Hình 3.13: Hình ảnh của ăng ten được chế tạo
Hình 3.14: Tần số và hệ số tổn hao của ăng ten
5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Quy ước về các dải tần số
Bảng 1.2: So sánh các đặc trưng của các loại anten
Bảng 1.3: So sánh các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải

6

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

TÊN THUẬT NGỮ ĐẦY ĐỦ

TẠM DỊCH

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Tỉ số sóng đứng điện áp

SWR

Standing Wave Ratio

Tỉ số sóng đứng

EIRP

Equivalent Isotropically Radiated
Power

Công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương

CW

Clockwise

Chiều kim đồng hồ

Counterclockwise

Ngược kim đồng hồ

BW

Bandwidth

Băng thông

UHF

Ultra High Frequency

Tần số cực cao

High Frequency

Tần số cao

Microstrip Antenna

Anten vi dải

LF

Low Frequency

Tần số thấp

ES

Electronic Cash

Thẻ điện tử

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng qua sóng vô tuyến

MSA

Microstrip Antenna

Anten microstrip

CCW

HF
MSA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
7


THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế Anten Vi dải hình logo trường Đại Học Giao Thông Vận
Tải.
- Sinh viên thực hiện:
Sinh viên

Lớp

Khoa

Năm thứ

Số năm đào tạo

1. Đỗ Ngọc Thiện

Kỹ thuật viễn thông

Điện - Điện tử

3

4,5

2. Lưu Tiến Lực

Kỹ thuật viễn thông

Điện - Điện tử

3

4,5

3. Dương Khánh Linh

Kỹ thuật viễn thông

Điện - Điện tử

3

4,5

4. Nguyễn Tuấn Minh

Kỹ thuật viễn thông

Điện - Điện tử

3

4,5

5. Nguyễn Thị Tâm

Kỹ thuật viễn thông

Điện - Điện tử

3

4,5

- Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Khởi
2. Mục tiêu đề tài:
Tìm hiểu về cách thiết kế Anten vi dải logo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
3. Tính mới và sáng tạo:
Đề tài đã đi sâu nghiên cứu về các đặc tính của Anten và Anten vi dải. Đề tài có tính
mới và tính sáng tạo là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với việc mô phỏng bằng phần mềm để

thiết kế anten cho ứng dụng trong thực tế.
4. Kết quả nghiên cứu:
Chương trình mô phỏng Anten vi dải hình logo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải.
Như đã đề cập trong nhiều báo cáo, thành phần chủ yếu của hệ thống RFID bao gồm:
thẻ RFID, đầu đọc (sensor) và ăng ten. Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi thiết kế và
chế tạo một ăng ten Logo (trên phù hiệu, đồng phục,…) nhằm tích hợp vào các hệ
thống nhận dạng RFID.
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả
năng áp dụng của đề tài:
Hệ thống nhận dạng hiện nay và tương lai đều sử dụng và được ứng dụng phổ biến
trong nhiều hệ thống như :hệ thống công nghiệp,hế thống bán hàng,các hệ thống,công ty
sản xuất và đặc biệt là trong giáo dục vì vậy việc nghiên cứu lý thuyết và tính toán mô
phỏng các mẫu Anten hình logo cho các trường đại học giúp cho việc học tập của sinh viên
được tốt hơn và là tiền đề để các hoạt động của sinh viên được trọn vẹn,đảm bảo. Việc
8


nghiên cứu và làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo anten vi dải ngay tại giảng đường đại học
có ý nghĩa cao về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo cũng như an ninh, quốc phòng.
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí
nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Không
Hà Nội, ngày 09 tháng 04 năm 2017
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

Nguyễn Thị Tâm

 Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Hà Nội, ngày 02 tháng 04 năm 2018
Người hướng dẫn

ThS. Nguyễn Văn Khởi

9


MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.
Tự động nhận dạng (Auto-ID) đã và đang được ứng dụng phổ biến trong
nhiều hệ thống như: hệ thống công nghiệp, phân phối bán hàng, các hệ thống, công ty
sản xuất,... nhằm cung cấp thông tin về con người, động vật, hàng hóa trong quá trình
di chuyển. Khởi đầu cho cuộc cách mạng về nhận dạng phải kể đến đó là các hệ thống
mã vạch, tuy nhiên các hệ thống này hiện tại đã bộc lộ nhiều hạn chế như bộ nhớ lưu
trữ thấp và không thể lập trình lại được.
Dạng chung của thiết bị điện tử lưu trữ dữ liệu ngày nay đó là các thẻ thông
minh dựa trên một trường thông tin liên lạc (thẻ thông minh telephone, thẻ ngân hàng)
và sử dụng phương pháp tiếp xúc cơ khí để đọc dữ liệu. Tuy nhiên, lưu trữ và đọc
thông tin này trên thẻ thông minh là không thực tế. Phương pháp truyền dữ liệu không
tiếp xúc giữa thiết bị mang dữ liệu và thiết bị đọc là giải pháp tiện dụng và mềm dẻo
hơn rất nhiều. Trong trường hợp lý tưởng, năng lượng cần thiết cho thiết bị lưu trữ dữ
liệu hoạt động cũng được truyền từ thiết bị đọc sử dụng công nghệ không dây. Do
những đặc tính đó, các hệ thống nhận dạng ID không tiếp xúc còn được gọi là RFID
(Radio Frequency Identification).
Số lượng các tổ chức, công ty liên quan đến phát triển và mua bán các hệ thống
RFID chỉ ra rằng đây là một thị trường tiềm năng, cần được nghiên cứu một cách
nghiêm túc. Trong khi tổng số lượng giá trị các hệ thống RFID giao dịch trong năm
2000 là 900 triệu USD thì trong năm 2005 đã lên tới 2.650 tỉ USD. Thị trường các hệ

thống RFID do vậy phụ thuộc vào sự phát triển của ngành công nghiệp công nghệ
không dây, bao gồm các hệ thống mobile phondes và cordless telephones. Thêm vào
đó, trong những năm gần đây công nghệ nhận dạng không tiếp xúc đã phát triển thành
một lĩnh vực độc lập, không còn là một ngành nhỏ phụ thuộc nữa. Nó kết hợp nhiều
yếu tố thành phần từ các lĩnh vực rất khác nhau: công nghệ HF và EMC, công nghệ
chất bán dẫn, mã hóa và bảo vệ dữ liệu, truyền thông, công nghệ chế tạo sản xuất và
nhiều lĩnh vực liên quan khác.

10


2. Lý do chọn đề tài
Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, bên cạnh
yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan tâm tới giá thành
sản xuất, tính tiện dụng của anten như độ bền, trọng lượng anten phải nhẹ, kích thước anten
phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu..Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten
vi dải hình logo trường đại học luôn thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu
anten nói chung cũng như những sinh viên đang học tập học phần Anten và truyền sóng
trên giảng đường đại học như chúng em nói riêng. Xuất phát từ ý nghĩa đó, nhóm chúng
em đã đăng ký nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thiết kế Anten vi dải hình logo trường Đại
học Giao thông Vận tải” làm đề tài nghiên cứu khoa học của mình.
3. Mục tiêu đề tài
-Tìm hiểu về cách thiết kế Anten vi dải hình logo trường Đại học Giao thông Vận tải
4. Phương pháp nghiên cứu
Dựa vào các công trình đã công bố trên các tạp chí, sách chuyên khảo chuyên ngành
quốc tế và trong nước, đề tài sẽ đi sâu nghiên cứu và thiết kế, mô phỏng anten vi dải hình
logo cho trường đại học
Một số phương pháp được sử dụng: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết như sử dụng
các phương pháp phân tích giải tích, phương pháp mô hình hóa toán học; Phương pháp mô
phỏng số trên máy tính dùng phần mềm hữu hạn (FEM), truyền dẫn mode và sử dụng phần

mềm chuyên dụng HFSS 15.0
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung vào lĩnh vực thiết kế anten nên điều quan trọng trước hết là cần nắm
rõ các kiến thức về trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật anten truyền sóng…
nghiên cứu về các thông số cơ bản của anten, tìm hiểu anten vi dải, các đặc tính của anten
vi dải,cũng như cách tính toán các thông số cho anten
Tìm hiểu chương trình mô phỏng HFSS, cách khởi tạo các vật thể trong HFSS, cách
đặt các thông số để mô phỏng và xem kết quả. Sau đó tiến hành thiết kế cấu trúc anten vi
dải hình LOGO và mô phỏng trên phần mềm, trong quá trình mô phỏng cần thống kê các
kết quả mô phỏng, xem xét sự thay đổi các thông số của anten, ảnh hưởng qua lại của việc
điều chỉnh kích thước anten với kết quả mô phỏng để tiện cho việc điều chỉnh sau này.

11


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI
1.1. Lý thuyết chung về Anten
1.1.1. Giới thiệu
Thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ 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 (guiding device), 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 feeder. Trong hệ thống này, máy phát
có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder 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 thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này được
truyền theo feeder tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc
truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Vì
vậy, anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện,
đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc.

Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng có loại
rất phức tạp [1]. Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:
 Anten đường (Wire Antennas): là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi nơi như ô
tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, ...Nó gồm anten đường thẳng (anten lưỡng cực),
anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix). Trong đó anten vòng không những có dạng
tròn mà còn ở dạng vuông, chữ nhật, ellip... nhưng anten vòng tròn thì được sử dụng
rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản.
 Anten góc mở (Aperture Antennas): nó có dạng như hình nón, hình kim tự tháp hay
ống dẫn sóng. Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trước đây vì nhu cầu hình thức
anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn. Loại anten này rất
hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ. Anten vi dải (Microstrip Antennas): anten này
gồm một miếng kim loại mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi.
Miếng kim loại có thể có nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, tròn, tam
giác, vòng tròn,... Anten này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài
đặt dễ, giá thành thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi,
thiết bị cầm tay,...
12


 Anten dãy (Array Antennas): nhiều ứng dụng đòi hỏi các đặc tính bức xạ mà không
thể đạt được ở một anten duy nhất. Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc tính bức xạ
của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả mong
muốn.
 Anten phản xạ (Re ector Antennas): do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng cách lớn,
hình thức anten tinh vi đã được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi hàng
triệu dặm. Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc.
 Anten ống kính (Lens Antennas): ống kính được sử dụng chủ yếu để chuẩn trực
năng lượng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hướng không mong
muốn. Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ
có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lượng khác nhau vào sóng mặt.

Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hướng (OmniDirectional) và anten định hướng (Directional). Anten vô hướng là anten truyền tín hiệu
RF (Radio Frequency) theo tất cả các hướng theo trục ngang (song song mặt đất) để cho
các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song, anten
lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất
để các đài thu trên mặt đất có thể thu được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng
bức xạ theo các hướng không cần thiết. Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ
hoặc thu sóng điện từ theo một hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ
thuộc vào hệ số định hướng D(ɵ,ɸ) và độ lợi G(ɵ,ɸ)
D(ɵ,ɸ) mô tả kiểu bức xạ.
G(ɵ,ɸ) cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ).

Hình 1.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1]
13


1.1.2. Hệ phương trình Maxwell
Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động
lực học đó là các phương trình Maxwell.
Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo
thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn quy luật sin(ωt), cos(ωt) dưới dạng phức e jωt
cos(ωt)
Hoặc

(1.1a)
(1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:
(1.2a)
(1.2b)
(1.2c)

(1.2d)
là biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m)
là biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m)
(1.3)
(hệ số điện thẩm phức của môi trường)
: hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m)
μ : hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
: điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)
: là biên độ phức của vector mật độ dòng điện (
: là mật độ khối của điện tích (
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

14


hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích
chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.
Hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết lại như sau:
(1.4a)
(1.4b)
(1.4c)

(1.4d)
Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H. Trong phương trình nghiệm
sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền.
1.1.3. Đặc tính bức xạ điện từ của anten
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ
trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra
trong những điều kiện nhất định.

Để hiểu rõ hơn về đặc tính bức xạ điện từ của anten ta xét ví dụ sau: một mạch dao
động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch
một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến
thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ
trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Năng lượng
điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ
nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra
điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện
trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với
nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không
còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian
hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện
trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện
trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ.
15


Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do
được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng buộc
với nguồn gọi là năng lượng vô công.
1.1.4. Đặc tính của đường dây truyền sóng
Để thiết kế một thiết bị siêu cao tần, việc đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt nhất, chúng
ta cần phải hiểu rõ các thông số đặc tính của đường dây truyền sóng.
1.1.4.1. Bước sóng (Wavelenght)
Bước sóng là khoảng cách sóng vô tuyến truyền đi trong một chu kì. Công thức tính
bước sóng theo tần số:
(1.5)
Trong đó:
λ: bước sóng

[m]

f: tần số tín hiệu

[Hz]

: hằng số điện môi hiệu dụng.
v: vân tốc truyền sóng

[m/s]

c = 3.108 m/s (chính xác c = 299.792.458 m/s) vận tốc truyền sóng trong không gian hay
vận tốc ánh sáng.
Xét một tần số nào đó thì vận tốc truyền sóng trong các môi trường khác sẽ nhỏ hơn
vận tốc truyền sóng trong không gian. Do hằng số điện môi của các môi trường khác
thường lớn hơn hằng số điện môi của môi trường chân không vì thế bước sóng sẽ ngắn
hơn. Điều này tạo một lợi thế cho việc chế tạo các anten trên mạch in. Ví dụ: xét tần số
WLAN là 2.4 GHz thì bước sóng trong không khí λ 0 ≈125 mm, bước sóng trên tấm mạch
in FR-4 λ là khoảng 66 mm.
1.1.4.2. Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance)
Trở kháng đặc tính Z0 là tỉ số điện áp và dòng điện tại các điểm cách đều nhau dọc
theo đường truyền.
(1.6)

16


Hình 1.2: Mô hình đường truyền sóng
Trong trường hợp tổng quát, Z0 là một đại lượng phức, biến đổi theo tần số và phụ

thuộc vào cấu trúc đường truyền. Nhưng phần lớn các đường dây truyền sóng được giả sử
có trở kháng đặc tính Z 0 = R0 là một hằng số thực. Ta thường gặp các đường dây truyền
sóng có trở kháng R0 = 50Ω, R0 = 75Ω, R0 = 300Ω hoặc R0 = 600Ω.
1.1.4.3. Phối hợp trở kháng
Phối hợp trở kháng là cách để truyền tải tối đa công suất từ nguồn tới tải. Đường
dây được phối hợp trở kháng khi trở kháng tải Z L bằng với trở kháng đặc tính của đường
dây Z0, ngược lại khi ZL ≠ Z0 đường dây bị mất phối hợp trở kháng. Giá trị giữa Z L và Z0
càng khác xa nhau thì sự mất phối hợp trở kháng càng lớn. Để truyền tín hiệu có hiệu quả
thì trở kháng của anten và trở kháng của cáp truyền dẫn phải giống nhau. Thông thường sử
dụng cho WLAN, người ta thiết kế trở kháng có giá trị là 50Ω.
1.1.4.4. Hệ số phản xạ (Γ)
Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm bất kỳ trên đường dây truyền sóng là tỷ số giữa
sóng điện áp phản xạ với sóng điện áp tới tại điểm đó. Hệ số phản xạ điện áp cũng bằng
với hệ số phản xạ dòng điện.
(1.7)
Trong đó:
Γ: hệ số phản xạ.
Vr và Ir: điện thế và dòng điện sóng phản xạ.
Vi và Ii: điện thế và dòng điện sóng tới.
Ngoài ra, hệ số phản xạ còn được tính dựa vào trở kháng tải Z L và trở kháng đặc tính
của đường dây Z0 hoặc tỉ số giữa công suất đi đến tải Pt với công suất phản xạ Pr.
(1.8)

17


1.1.4.5. Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng
Hiện tượng sóng đứng (Standing wave): khi sóng truyền trên một đường truyền mà
tải không phối hợp trở kháng, sẽ có sóng phản xạ từ tải về nguồn. Với nguồn tín hiệu hình
sin với một tần số cố định, sóng tới và sóng phản xạ sẽ có hiện tượng giao thoa. Tại điểm

tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ đồng pha, biên độ sóng tổng hợp bằng tổng biên độ 2
thành phần, nó đạt giá trị cực đại và ta gọi nó là điểm bụng sóng. Tại điểm tín hiệu sóng tới
và sóng phản xạ ngược pha, biên độ sóng tổng hợp bằng hiệu biên độ 2 thành phần, nó đạt
giá trị cực tiểu và ta gọi nó là điểm nút.
Tỷ số sóng đứng điện áp VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) thường gọi tắt là tỉ
số sóng đứng SWR (Standing Wave Ratio) là tỉ số giữa biên độ cực đại và biên độ cực tiểu
của điện áp tổng hoặc dòng điện tổng. Tỉ số sóng đứng thường được định nghĩa cho đường
truyền không tổn hao. Khi đó các giá trị biên độ V max, Vmin, Imax, Imin có giá trị không đổi
trên suốt chiều dài của đường dây.
(1.9)

1.1.4.6. Tổn hao phản xạ (Return loss)
Tổn hao phản xạ là một cách khác để biểu diễn cho sự mất phối hợp trở kháng. Nó
được dùng để so sánh công suất phản xạ từ anten với công suất của máy phát. Công thức
xác định tổn hao phản xạ:
(1.10)

1.1.5. Các thông số đặc trưng của anten
1.1.5.1. Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện
áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten.

18


Hình 1.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1]
(1.11)
Với RA = RL + Rr
Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của
anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.

Thành phần thực của điện trở vào RA được xác định bởi công suất đặt vào
anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe
(1.12)
Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố
dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể
có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
1.1.5.2. Hệ số định hướng và độ tăng ích
 Hệ số định hướng
Bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ thu được nếu công suất đưa vào
anten được bức xạ đúng hướng (Isotropic). Độ định hướng của anten được định nghĩa như
là tỉ số của của cường độ bức xạ ở một hướng cho trước trên cường độ bức xạ trung bình ở
mọi hướng. Trong trường hợp không đề cập đến hướng cụ thể thì được hiểu là hướng có
biên độ bức xạ cực đại.
(1.13)

(1.14)

Trong đó:

D: độ định hướng (directivity).
D0: độ định hướng cực đại (maximum directivity).
U: cường độ bức xạ (radiation intensity) [W/Sr].
Umax: cường độ bức xạ cực đại (maximum radiation intensity) [W/Sr].
U0: cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr].
19


Prad: tổng công suất bức xạ [W].
 Độ tăng ích (Độ lợi)
Độ lợi của anten G là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho trước và

cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đúng hướng (isotropic).
(1.15)
Nếu anten không tổn hao,

thì

.

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa dây truyền sóng và
anten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên anten (do điện môi, sai phân cực), công suất
bức xạ (Prad) của anten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (Pin):
Prad

Pin. Vì vậy trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng.
Để biểu diễn mối quan hệ giữa Pin và Prad người ta dùng khái niệm hiệu suất bức xạ.
Kí hiệu e.
,

e 1

(1.16)

Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi là dBi (độ lợi của anten định hướng) hay dBd (độ
lợi của anten half wave dipole). Để chuyển đổi từ dBd sang dBi ta chỉ cần cộng thêm 2.2
vào dBd để được dBi.
1.1.5.3. Giản đồ bức xạ (Radiation pattern)
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. 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 (2D) hay ba
chiều (3D). 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 cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ
trong Hình 1.4.

20


Hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]
 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”.
Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong Hình 1.5. Ta
nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth
plance) với

và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane)

với

21


Hình 1.5: 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). Một ví dụ được thể hiện trong Hình 1.6. Trong ví dụ này, mặt
phẳng x-z (với

0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π/2) là mặt phẳng H.

Hình 1.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1]
 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten. Búp
sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng dọc được đo theo độ và
vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt
đất. Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau. Việc chọn lựa anten có
búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ
sóng mong muốn. Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao.
Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10 dB so với
giá trị cực đại. Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các
thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau. Hình 1.7a
minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ. Một vài thùy có cường độ bức
22


xạ lớn hơn các thùy khác. Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy. Hình 1.7.a thể hiện
giản đồ 2D (một mặt phẳng của Hình 1.7.b).

(a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten [1]

(b). Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó [1]
Hình 1.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính
Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính): Được định nghĩa là thùy chứa hướng bức

xạ cực đại. Trong Hình 1.7, 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 chính. Thông thường, thùy bên là thùy
liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính.
Thùy sau: là thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 o so với thùy chính.
Thùy phụ thường 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
23