Nghiên cứu cải thiện băng thông của anten lưỡng cực sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện tử

NGUYỄN THỊ THÙY GIANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ THÙY GIANG

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CỦA ANTEN
LƯỠNG CỰC SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

2017B
Hà Nội - Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN THỊ THÙY GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN KHẮC KIỂM

Hà Nội - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn thạc sĩ này là cơng trình nghiên cứu khoa
học của tôi và tập thể nghiên cứu, không sao chép ngun bản từ cơng trình nghiên cứu
hay luận văn của người khác. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và
tham chiếu đầy đủ.
Hà Nội, ngày 11 tháng 10 năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thùy Giang


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi xin
trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học và Viện
Điện tử - Viễn thơng đã hỗ trợ, giúp đỡ nhiệt tình cho tơi trong suốt q trình học tập và
thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, các đồng chí lãnh đạo của cơ quan đang
cơng tác và bạn bè đã ln động viên, khuyến khích, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ 3
MỤC LỤC .................................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 9
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. 10
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................... 11
1.1. Khái niệm về anten ......................................................................................... 11
1.2. Các thơng số và đặc tính cơ bản của anten ..................................................... 13
1.3. Kết luận chương ............................................................................................. 18
CHƯƠNG 2. ANTEN LƯỠNG CỰC .................................................................... 19
2.1. Giới thiệu chung........................................................................................... 19
2.2. Vật liệu thiết kế anten .................................................................................. 28
2.3. Kết luận chương ........................................................................................... 30
CHƯƠNG 3. SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ............................................................ 31
3.1. Khái niệm ....................................................................................................... 31
3.2. Đặc điểm của siêu vật liệu .............................................................................. 32
3.3. Cấu trúc SSR .................................................................................................. 33
3.4. Phân tích cấu trúc SRR ................................................................................... 34
3.5. Tổng kết chương ............................................................................................. 35
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN LƯỠNG CỰC KẾT HỢP
SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ .................................................................................... 37
4.1. Q trình phân tích ......................................................................................... 37
4


4.2 Phần mềm mơ phỏng HFSS ............................................................................ 38
4.3. Mơ hình và kết quả mô phỏng của anten lưỡng cực ...................................... 43
4.4. Mô phỏng sử dụng cọc nhựa cố định giữa anten và ground .......................... 51
4.5. Mơ hình chế tạo của anten và kết quả đo thực nghiệm .................................. 54
4.6. Kết luận chương ............................................................................................. 58

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 60
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT ................................................... 62

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Sơ đồ khối hệ thống thu và phát đơn giản ................................................ 12
Hình 1.2. Hình ảnh anten như thiết bị chuyển tiếp. ................................................... 12
Hình 1.3. Hệ thống tọa độ phân tích anten ................................................................ 13
Hình 1.4. Búp sóng khơng gian ba chiều................................................................... 14
Hình 1.5. Góc nửa cơng suất trong tỉ lệ dB. .............................................................. 14
Hình 1.6. Hình dạng hệ số định hướng trong mặt phẳng hai chiều của dipole nửa bước
sóng so với anten đẳng hướng. .................................................................................. 15
Hình 1.7. Băng thơng của anten ................................................................................ 17
Hình 2.1. Anten lưỡng cực. ....................................................................................... 19
Hình 2.2. Anten lưỡng cực ngắn. .............................................................................. 20
Hình 2.3. Anten lưỡng cực nửa bước sóng. ............................................................... 22
Hình 2.4. Anten lưỡng cực gấp. ................................................................................ 23
Hình 2.5. Đồ thị anten lưỡng cực. ............................................................................. 25
Hình 2.6. Mẫu bức xạ chuẩn hóa các anten lưỡng cực có chiều dài xác định. ......... 26
Hình 2.7. Mơ hình bức xạ 3D chuẩn hóa anten lưỡng cực bước sóng 1 bước .......... 27
Hình 2.8. Đường truyền không cân bằng (cáp đồng trục) được kết nối với anten lưỡng
cực.............................................................................................................................. 27
Hình 2.9. Các cấu trúc khác nhau của sợi thủy tinh dùng cho mạch in PCB. ........... 29
Hình 3.1. Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái vật liệu thông thường
(RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) [6]. .............................................................. 31
Hình 3.2. Phân loại vật liệu [7].................................................................................. 32
Hình 3.3. Cấu trúc chung của bộ vịng cộng hưởng chia vịng. ................................ 33

Hình 3.4. Phân tích cấu trúc vòng. ............................................................................ 34

6


Hình 4.1. Minh họa mơ phỏng kết cấu cơng trình bằng HFSS ................................. 38
Hình 4.2. Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt,
(b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều ....................................................... 40
Hình 4.3. Sơ đồ khối mơ phỏng................................................................................ 43
Hình 4.3. S11 của anten lưỡng cực đơn ...................................................................... 44
Hình 4.4. Đồ thì bức xạ 3D của anten lưỡng cực đơn tại tần số f=1.5 GHz ............. 44
Hình 4.5. Đồ thị bức xạ phương hướng anten lưỡng cực đơn tần số f=1.5 GHz ...... 45
Hình 4.6. Mặt trên của anten (đơn vị mm) ................................................................ 46
Hình 4.7. Mặt dưới của anten (đơn vị mm) ............................................................... 46
Hình 4.8. S11 của anten kết hợp SRR với anten đơn ................................................. 47
Hình 4.9. Đồ thị bức xạ 3D của anten kết hợp SRR ở tần số f=1.5 GHz .................. 47
Hình 4.10. Đồ thị bức xạ phương hướng của anten kết hợp SRR với f= 1.5 GHz ... 48
Hình 4.11. Hình dạng của anten trong HFSS ............................................................ 49
Hình 4.12. Mơ hình anten đề xuất (đơn vị mm) ........................................................ 49
Hình 4.13. So sánh S11 của anten kết hợp SRR và ground với các anten thiết kế cịn
lại ............................................................................................................................... 50
Hình 4.14. So sánh các kết quả đồ thị bức xạ phương hướng của các anten đề xuất ở
tần số f= 1.5 GHz....................................................................................................... 50
Hình 4.15. Đồ thị bức xạ 3D của anten kết hợp SRR và ground, f= 1.5 GHz .......... 51
Hình 4.16. Mơ hình anten trong HFSS ...................................................................... 52
Hình 4.17. So sánh S11 của anten với anten gắn cọc nhựa ....................................... 52
Hình 4.18. So sánh đồ thị bức xạ phương hướng của anten với anten kết hợp cọc nhựa
với f= 1.5 GHz ........................................................................................................... 53
Hình 4.19. Đồ thị bức xạ 3D của anten kết hợp cọc nhựa, với f= 1.5 GHz .............. 53

7


Hình 4.24. Mặt dưới của anten. ................................................................................. 55
Hình 4.25. Mặt trên của anten. .................................................................................. 55
Hình 4.20. Hình ảnh chế tạo thực tế anten ................................................................ 55
Hình 4.21. Chế tạo anten khi hàn cáp tiếp điện ......................................................... 56
Hình 4.22. S11 giữa lý thuyết và thực tế ................................................................... 57
Hình 4.23. Kết quả đo thực tế.................................................................................... 57

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thành phần cơ bản của sợi thủy tinh. ....................................................... 29
Bảng 4.1. Bảng so sánh dải tần hoạt động và bức xạ phương hướng của anten khi kết
hợp phương pháp khác nhau ...................................................................................... 54

9


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Thuật ngữ tiếng việt

MTM

Metamaterial

Siêu vật liệu

SRR

Split Ring Resonator

Bộ cộng hưởng chia vòng

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

HFSS

High

Frequency

Structure Mô phỏng cấu trúc tần số cao

Simulator
IEEE

Viện kỹ sư điện và điện tử

Institute of Electrical

and Electronics Engineers

PCB

Printed Circuit Board

Bảng mạch in

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ khơng dây

LTE

Long-Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

UHF

Ultra high frequency

Tần số cực cao

10


MỞ ĐẦU

Việc gia tăng nhanh chóng dữ liệu di động và việc sử dụng các thiết bị điện tử
thông minh truy cập internet đã tạo nên những thách thức chưa từng có cho các nhà
cung cấp dịch vụ khơng dây, đặc biệt là việc thiếu băng thơng tồn cầu. Dự đoán dựa
trên những số liệu thống kê gần đây, lưu lượng thơng tin di động trên tồn thế giới
tăng gấp đôi sau mỗi năm nên mạng không dây sẽ đối mặt với sự tắc nghẽn vào năm
2020. Các nhà cung cấp phải bổ sung các công nghệ và cấu trúc mới, đáp ứng thích
hợp với nhu cầu của nhà cung cấp và khách hàng.
Anten là thiết bị cốt lõi của tất cả các hệ thống thơng tin vơ tuyến, ngồi ra anten
cịn tham gia vào q trình gia cơng tín hiệu nhờ các kỹ thuật mới. Dải tần số trong
khoảng từ 0,6 đến 6GHz là dải tần tối ưu cho các mạng 2G/3G/4G/5G. Tần số sóng
mang ở dải tần này cho phép cấp phát băng thông tần số lớn và cho tốc độ truyền tải
dữ liệu cao hơn. Hơn nữa, phổ tần này cũng cho phép nhà cung cấp dịch vụ mở rộng
đáng kể băng thông, vượt xa giá trị 20 MHz đang được sử dụng cho mạng 4G. Bằng
cách tăng băng thông, tốc độ dữ liệu tăng lên rất nhiều, trong khi trễ lưu lượng số
giảm mạnh, vì vậy, việc truy cập internet và các ứng dụng yêu cầu trễ nhỏ được hỗ
trợ một cách tốt hơn.
Chính nhờ những đặc tính ưu việt này, việc nghiên cứu, tìm hiểu về truyền thơng
ở dải sóng decimet nói chung và anten nói riêng trở nên rất cần thiết. Trong phạm vi
của luận văn này, tôi sẽ nghiên cứu và đưa ra mơ hình anten đề xuất, kết hợp với sử
dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ và mặt phản xạ. Ngồi ra, tơi sử dụng các kỹ thuật
trong thiết kế anten như phương pháp “Siêu vật liệu” để làm tăng độ tăng ích cho
anten.
Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Khắc Kiểm về những định
hướng, nhận xét quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

1


Xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thông, Đại

học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học
tập và hồn thành chương trình đào tạo.
Tôi cũng xin cảm ơn các bạn ở CRD-Lab thư viện Tạ Quang Bửu đã có những
góp ý và giúp đỡ tơi nhiệt tình.
Hà Nội, tháng 10 năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thùy Giang

2


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
Nội dung chương này trình bày về hệ thống thu phát tín hiệu khơng dây, các tham
số đặc tả hiệu suất của anten. Các thông số kỹ thuật này giúp ta có cái nhìn tổng thể về
anten.
1.1. Khái niệm về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ. Trong
thơng tin vơ tuyến, anten có vai trị khơng thể thiếu bởi vì đã là hệ thống vơ tuyến nghĩa
là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ. Do đó khơng thể khơng dùng đến thiết bị
để bức xạ hoặc thu sóng điện từ (thiết bị anten). Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ
(anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ khơng gian bên ngồi 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).
Trong một hệ thống liên lạc vơ tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten
phát và anten thu, thông thường máy phát và anten phát cũng như máy thu và anten thu
được nối với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là Fide. Trong hệ thống
này, máy phát tạo ra dao động điện cao tần và dao động điện sẽ được truyền đi theo Fide
đến Anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Sóng này được truyền theo fide tới
máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi

năng lượng với hiệu suất cao nhất và khơng gây ra méo dạng tín hiệu [1]. Cấu tạo của
anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Dưới đây là sơ đồ một
hệ thống thu hoặc phát đơn giản với sự tham gia của anten:

11


Hình 1. 1. Sơ đồ khối hệ thống thu và phát đơn giản
Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự
do từ khơng gian ngồi và biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc. Tuy nhiên năng
lượng mà anten thu nhận được sẽ chỉ có một phần được truyền tới máy thu, phần cịn
lại sẽ bức xạ trở lại khơng gian.

Hình 1.2. Hình ảnh anten như thiết bị chuyển tiếp.
Anten được sử dụng với những mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác
nhau.
12


1.2. Các thơng số và đặc tính cơ bản của anten
1.2.1. Đồ thị bức xạ
Một dạng bức xạ của anten được định nghĩa là một hàm toán học hay một biểu diễn
đồ họa của đặc tính bức xạ của anten trong tọa độ không gian. Trong hầu hết các trường
hợp, dạng bức xạ được xác định trong trường ở vùng xa anten và được biểu diễn dưới
dạng hàm của các tọa độ có hướng. Đặc tính bức xạ quan tâm nhiều nhất là sự phân bố
không gian ba chiều của năng lượng bức xạ như một hàm của vị trí người quan sát với
bán kính khơng đổi [2].

Hình 1.3. Hệ thống tọa độ phân tích anten
1.2.2. Độ rộng búp sóng (Beamwidth)

Độ rộng búp sóng của anten được định nghĩa là góc giữa hai điểm trên hai cạnh đối
diện nhau của dạng bức xạ cực đại. Độ rộng búp sóng nửa cơng suất là góc giữa hai bán
kính vector có giá trị bằng nửa cường độ công suất cực đại [3][4].

13


Hình 1.4. Búp sóng khơng gian ba chiều.

Hình 1.5. Góc nửa công suất trong tỉ lệ dB.
1.2.3. Hệ số định hướng (Directivity)
Hệ số định hướng của anten được định nghĩa là tỉ lệ cường độ bức xạ trong một
hướng nhận được từ anten trên cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng. Nói
14


một cách đơn giản hơn, tính định hướng của nguồn không định hướng bằng tỉ lệ số
cường độ bức xạ của nó ở hướng nhất định so với nguồn đẳng hướng.
𝐷𝐷 =

𝑈𝑈

𝑈𝑈0

=

4𝜋𝜋𝜋𝜋

𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

Nếu hướng khơng được chỉ định thì hướng cường độ bức xạ tối đa thể hiện theo
cơng thức:

Trong đó:

𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = D0 =

𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑈𝑈0

=

4𝜋𝜋𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

D: độ định hướng
Dmax: độ định hướng lớn nhất
U: cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)
Umax: cường độ bức xạ lớn nhất (W/đơn vị góc khối)
U0: cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc khối)
Prad: cơng suất bức xạ tổng cộng (W)

Hình 1.6. Hình dạng hệ số định hướng trong mặt phẳng hai chiều của dipole nửa bước
sóng so với anten đẳng hướng.

15


1.2.4. Hệ số tăng ích (Gain)
Độ tăng ích của anten trong một hướng xác định là tỉ số cường độ theo một hướng

nhất định trên cường độ bức xạ có thể thu được nếu cơng suất đó nhận được bởi anten
bức xạ đẳng hướng. Hay một cách định nghĩa khác như sau: độ tăng ích của anten là số
lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có
hướng sang một anten vơ hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm
thu theo hướng đã xác định (𝜃𝜃, 𝜑𝜑)

Gain = 4𝜋𝜋

𝑐𝑐ườ𝑛𝑛𝑛𝑛 độ 𝑏𝑏ứ𝑐𝑐 𝑥𝑥ạ

𝑡𝑡ổ𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 đầ𝑢𝑢 𝑣𝑣à𝑜𝑜

= 4𝜋𝜋

𝑈𝑈(𝜃𝜃,𝜙𝜙)
𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖

Công suất bức xạ (Prad) liên quan tới công suất đầu vào như sau:
Prad = ecd.Pin
Trong đó ecd là hiệu suất bức xạ của anten. Theo tiêu chuẩn của IEEE, độ tăng ích
(Gain) khơng bao gồm sự thất thốt tổn hao từ sự không phối hợp trở kháng (suy hao
phản xạ) và sự không đồng bộ phân cực.
1.2.5. Băng thông hay dải tần công tác của anten (Bandwidth)
Băng thông của anten được định nghĩa là dải tần số anten hoạt động có liên quan tới
một vài đặc tính, phù hợp với một tiêu chuẩn đã xác định trước. Băng thơng có thể được
coi là dải tần số ở cả hai phía của tần số trung tâm (thông thường tần số cộng hưởng của
dipole) nơi mà các đặc tính của anten (như trở kháng vào, dạng bức xạ, độ rộng búp
sóng, phân cực, mức búp sóng phụ, tăng ích, hướng búp sóng, hiệu suất bức xạ) nằm
trong giá trị chấp nhận được của tần số trung tâm đó.
Ta có thể chia dải tần làm 3 nhóm:

•

∆𝑓𝑓
𝑓𝑓

≤ 5%: băng thơng hẹp

• 5% ≤
•

∆𝑓𝑓
𝑓𝑓

∆𝑓𝑓
𝑓𝑓

≤ 20%: băng thông rộng

≥ 20%: băng thông siêu rộng

16


Hình 1.7. Băng thơng của anten
1.2.6. Đặc tính phân cực (Polarization)
Đặc tính phân cực của một anten được định nghĩa là đặc tính phân cực của sóng
truyền đi hay bức xạ bởi anten đó. Phân cực này là đặc tính phân cực trong hướng độ
tăng tích cực đại. Trong thực tế, phân cực năng lượng bức xạ biến đổi theo hướng từ
trung tâm của anten, do đó các phần của bức xạ khác nhau có thể phân cực khác nhau.
Mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa vector E và phương truyền lan của sóng

điện từ:
• Nếu mặt phẳng phân cực khơng thay đổi thì sóng điện từ phẳng đó là phân cực
thẳng. Trong trường hợp này vector E luôn song song với một trục cố định.
• Nếu mặt phẳng quay xung quanh trục của phương lan truyền sóng thì gọi là phân
cực quay, trong trường hợp này vector E quay xung quanh trục đó. Có hai loại phân cực
quay là phân cực tròn và phân cực elip.
1.2.7. Trở kháng vào của anten (Imput Impedance)
Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực (trở kháng) và phần ảo (dung
kháng hoặc cảm kháng) là tỉ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA chạy trong
anten.
ZA =

𝑈𝑈𝐴𝐴
𝐼𝐼𝐴𝐴

= RA + jXA

Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten
PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào của anten IAe
17


RA =

𝑃𝑃𝐴𝐴

𝐼𝐼𝐴𝐴𝐴𝐴

Thành phần trở kháng RA bao gồm hai thành phần:
RA = Rr + RL

Trong đó:
Rr: trở kháng bức xạ của anten
RL: điện trở suy hao của anten
1.3. Kết luận chương
Chương này đã trình bày một vài chi tiết cơ bản về các thơng số và đặc tính quan
trọng của một anten, từ đó giúp ta nhìn nhận rõ cách thức hoạt động của nó. Từ các
thơng số kĩ thuật trên ta sẽ đưa ra được mục tiêu thiết kế chi tiết để chế tạo anten đúng
như yêu cầu.

18


CHƯƠNG 2. ANTEN LƯỠNG CỰC
Nội dung chương trình bày khái quát về anten lưỡng cực, bao gồm các loại anten
lưỡng cực, cách tiếp điện cho anten lưỡng cực, mơ hình bức xạ, trở kháng đầu vào của
anten. Bên cạnh đó, luận văn làm rõ tính chất của loại vật liệu nền làm anten là FR4.
2.1.

Giới thiệu chung

2.1.1 Anten lưỡng cực
Một anten lưỡng cực là loại anten radio đơn giản nhất, bao gồm một thanh dẫn điện
có độ dài bằng một nửa độ dài của bước sóng tối đa mà anten được tạo ra. Thanh dây
này được chia ở giữa và hai phần được cách nhau bằng một chất cách điện. Mỗi thanh
được kết nối với một cáp đồng trục ở cuối gần nhất giữa anten. Điện áp tần số vô tuyến
được áp dụng cho anten lưỡng cực ở giữa, giữa hai dây dẫn.
Dipole cung cấp hiệu suất tốt nhất nếu nó dài hơn nửa bước trên mặt đất, bề mặt của
một cơ thể của nước hoặc môi trường dẫn ngang như tấm lợp kim loại. Các yếu tố cũng
nên là một bước sóng nhất định đi từ vật cản dẫn điện như tháp hỗ trợ, dây tiện ích và
anten khác. Anten lưỡng cực được định hướng theo chiều dọc, chiều ngang hoặc

nghiêng. Sự phân cực của các trường điện từ được phát ra bởi các anten truyền lưỡng
cực tương ứng với định hướng phần tử. Hiện tại tần số vô tuyến (RF) trong lưỡng cực
là cực đại tại các tâm của lưỡng cực và ở mức tối thiểu ở các đầu của phần tử, và ngược
lại với điện áp RF.

Hình 2.1. Anten lưỡng cực.

19


2.1.2 Các loại anten lưỡng cực
Anten lưỡng cực ngắn
Một lưỡng cực ngắn là một lưỡng cực được hình thành bởi hai dây dẫn với tổng
chiều dài L ít hơn một nửa bước sóng (λ / 2), chiều dài tối thiểu mà anten cộng hưởng ở
tần số hoạt động. Để làm cho cộng hưởng anten, cho phép nguồn cấp dữ liệu hiệu quả
từ một đường dây truyền tải, cần phải có cuộn dây tải để hủy phản ứng điện dung của
anten. Các lưỡng cực ngắn được sử dụng trong các ứng dụng mà một lưỡng cực nửa
sóng đầy đủ sẽ quá dài và rườm rà. Khi chiều dài bị giảm, các báo cáo định lượng dưới
đây trở nên chính xác.

Hình 2.2. Anten lưỡng cực ngắn.
Điểm cấp dữ liệu thường ở trung tâm của lưỡng cực. Cấu hình hiện tại trong mỗi
phần tử, thực sự là đầu đi của một sóng đứng hình sin, là khoảng một phân phối hình
tam giác giảm từ dòng nguồn cấp dữ liệu xuống 0 ở các đầu. Mơ hình trường điện trường
xa ở khoảng cách r theo hướng θ từ trục của anten, nằm theo hướng ((ngang theo hướng
sóng, trong mặt phẳng của anten) có độ lớn:

Trong đó:

𝐸𝐸𝜃𝜃 =

−𝑖𝑖𝐼𝐼0 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝐿𝐿
4𝜀𝜀0 𝑐𝑐𝑐𝑐

w là tần số góc (radian/s)
20

𝜆𝜆

𝑒𝑒 𝑖𝑖(𝑤𝑤𝑤𝑤−𝑘𝑘𝑘𝑘)


2π

k là wavenumber (k= )
λ

c là tốc độ ánh sáng (3*108 m/s)
I0ewt là dòng nguồn cấp dữ liệu (A)
Dạng bức xạ này tương tự và chỉ hơi kém hướng hơn so với lưỡng cực nửa sóng. Sử
dụng biểu thức trên cho bức xạ trong trường xa cho một dòng nguồn cấp dữ liệu đã cho,
chúng ta có thể tích hợp trên tất cả các góc rắn để thu được tổng cơng suất bức xạ.
Ptotal=

𝜋𝜋

12

𝐿𝐿

I02 𝑍𝑍0 ( )2
𝜆𝜆

Trong đó Z0 là trở kháng của khơng gian trống Z0=

1

𝑐𝑐𝜀𝜀0

Từ đó, có thể suy ra điện trở bức xạ , bằng phần điện trở (thực) của trở kháng điểm,
bỏ qua một thành phần do tổn thất ohmic. Bằng cách đặt tổng P thành công suất được
1

cung cấp tại điểm cấp dữ liệu I02 Rradiation (vì I0 là dịng đỉnh) chúng ta thấy:
2

𝜋𝜋

𝐿𝐿

𝐿𝐿

Rradiation= 𝑍𝑍0 ( )2 ≈ ( )2
6

𝜆𝜆

𝜆𝜆

Một lần nữa, các mối quan hệ này chính xác cho L ≪ λ / 2. Thiết lập L = λ / 2 bất

kể, công thức này sẽ dự đoán một điện trở bức xạ xấp xỉ. 49 Ω, thay vì giá trị thực của
xấp xỉ. 73 Ω áp dụng cho lưỡng cực nửa sóng.
Anten lưỡng cực nửa bước sóng

21


Hình 2.3. Anten lưỡng cực nửa bước sóng.
Một anten lưỡng cực nửa sóng bao gồm hai dây dẫn bước sóng tứ được đặt kết thúc
để kết thúc với tổng chiều dài xấp xỉ L = λ / 2. Phân bố hiện tại là sóng đứng , xấp xỉ
hình sin dọc theo chiều dài của lưỡng cực, với một nút ở mỗi đầu và một antinode (dòng
đỉnh) ở giữa (feedpoint):
I(z)= I0eiwt cos(kz)
Trong đó k = 2 π / λ và z chạy từ - L / 2 đến L / 2.
Trong trường xa, điều này tạo ra một mẫu bức xạ có trường điện được cho bởi.
𝐸𝐸𝜃𝜃 =

𝜋𝜋
2

−𝑖𝑖𝑍𝑍0 𝐼𝐼0 cos ( 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
2𝜋𝜋𝜋𝜋 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

ei(wt-kr)

Yếu tố định hướng cos [( π / 2) cos θ ] / sin θ hầu như không khác với sin θ áp dụng
cho lưỡng cực ngắn, dẫn đến một mơ hình bức xạ rất giống như đã nói ở trên. Một tích
phân số của tích phân này trên tất cả các góc rắn, như chúng ta đã làm cho lưỡng cực
ngắn, cung cấp một giá trị cho điện trở bức xạ:

Rradiation≈ 73.1𝛺𝛺

Sử dụng phương pháp TÔIF gây ra, phần thực của trở kháng điểm lái cũng có thể
được viết dưới dạng tích phân cosin:

22