Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten Metamaterial

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
==========

NGUYỄN THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC
LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2013
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
==========

NGUYỄN THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC
LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL

Chuyên ngành: Vật lí vơ tuyến và điện tử
Mã số: 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Mạnh Cƣờng

HÀ NỘI – 2013
2


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

HIS

: High Impedance Surface

LHMs

: Left handed metamaterials

MMs

: Metamaterials

TE

: Transverse electric

TM

: Transverse magnetic

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu................................................................. 11
Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc ............................ 17
Hình 1.3: Phân cực tuyế n tính và phân cực tròn .................................................... 18
Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải........................................................................ 21
Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm ...................................................................... 22
Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực ..................................................................... 22
Hình 1.7: Anten khe mạch dải ............................................................................... 23
Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy ..................................................................... 23
Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải............................................................. 24
Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục .............................................................. 24
Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe .............................................................. 25
Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đơi lân cận .................................................. 25
Hình 1.13: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải .......................................... 26
Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳn ..................................................... 26
Hình 1.15: Mơ hình bức xạ của anten mạch dải .................................................... 28
Hình 1.16: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng ...................................... 29
Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng ....................................... 30
Hình 1.18: Tiếp điện bằng một đường mạch dải .................................................... 32
Hình 1.19: Tiếp điện bằng hai đường mạch dải vào hai cạnh của anten................ 33
Hình 2.1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ phản xạ và
truyền qua của vật liệu. ......................................................................................... 36
Hình 2.2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc ở gần vùng ánh sáng nhìn thấy; (b)
Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu ................................................................. 36
Hình 2.3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n <
0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3. ................................................................. 38
Hình 2.4: Ngun tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials.......... 39
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo chồng tàng hình ............................................. 40
Hình 2.6: Mơ hình một bề mặt trở kháng cao ........................................................ 41
4

Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao ................................ 42
Hình 2.8: Mặt cắ t ngang của một bề mặt trở kháng cao 2 lớp đơn giản ................ 42
Hình 2.9: Ng̀ n gớ c của điê ̣n dung và điê ̣n cảm trong cấ u trúc HIS..................... 42
Hình 2.10: Mơ hình mạch sử dụng cho bề mặt trở kháng cao ................................ 43
Hình 2.11: Mợt cặp kim loại cách nhau bởi mợt khoảng cách ............................... 43
Hình 2.12: Tụ điện trong bề mặt trở kháng cao ..................................................... 44
Hình 2.13: Một tấm điện môi được chia thành các lớp nhỏ ................................... 45
Hình 2.14: Những tấ m kim loại tụ điê ̣n đặt trong tấ m điê ̣n mơ............................... 45
Hình 2.15: Một dòng điê ̣n của cuộn dây kim loại tính toán cho điê ̣n cảm tấ m ....... 47
Hình 2.16: Trở kháng của một mạch cộng hưởng tương đương ............................. 48
Hình 2.17: Tính tốn pha phản xạ sử dụng mơ hình mạch cộng hưởng ................. 49
Hình 2.18: Mợt diê ̣n tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở kháng................. 50
Hình 2.19: Sóng mặt truyền trên một bề mặt trở kháng bất kì................................ 50
Hình 2.20: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao............... 53
Hình 2.21: Giá trị S11 cho các anten miếng trên 2 mặt phẳng đất khác nhau ......... 53
Hình 2.22: Đồ thị bức xạ - E của 2 anten miếng ................................................... 54
Hình 3.1: a) Mô phỏng hệ số phản xạ của anten; b) Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng
cực; c) Đồ thị bức xạ trong khơng gian 3D............................................................ 56
Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten .......................................................................... 57
Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) đã
chế tạo................................................................................................................... 58
Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer ................................................. 50
Hình 4.1: Mơ hình anten mạch dải ........................................................................ 59
Hình 4.2: Kết quả mơ phỏng anten mạch dải ......................................................... 60
Hình 4.3a: Mơ hình HIS ........................................................................................ 61
Hình 4.3b: Mơ hình thiết kế 1 cell của bề mặt trở kháng cao ................................. 62
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS ........................................... 62
Hình 4.5: Mơ hình anten metamaterial khảo sát .................................................... 63
Hình 4.6: Kết quả mơ phỏng anten metamaterial .................................................. 64

5


Hình 4.7: Kết quả mơ phỏng anten metamaterial khi thay đổi khoảng cách từ vị trí
đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại ......................................................................... 66
Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến
tấm kim loại của anten metamaterial ..................................................................... 66
Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim
loại của anten metamaterial. ................................................................................. 67
Hình 4.9: Kết quả mơ phỏng hệ số phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của
anten metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS. ................................... 68
Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng
của cấu trúc HIS.................................................................................................... 69
Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của
cấu trúc HIS .......................................................................................................... 69
Hình 4.12: Mơ hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng ......................... 70
Hình 4.13: Kết quả mơ phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau. 71
Hình 4.14: Kết quả đo phổ phản xạ của anten thường ........................................... 64
Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial ................................. 64

6


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN .......................................................... 11
1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SĨNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG
SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN...................................................................................... 11

1.1.1.Khái niệm anten............................................................................................ 11
1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.................................................. 11
1.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell. ........................................................................... 12
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten ..................................................................... 14
1.2. ANTEN MẠCH DẢI ......................................................................................... 20

1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải ...................... 21
1.2.2. Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải ........................................................ 27
1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải ................................................................. 29
1.2.4. Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải ............................................................. 33
CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL ........................................................ 35
2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS ................................................................. 35

2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials ................................................................ 35
2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials .................................................................... 36
2.1.3. Ứng dụng của metamaterials ........................................................................ 39
2.2. ANTEN METAMATERIAL .............................................................................. 41

2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) .................................. 41
2.2.2. Anten metamaterial...................................................................................... 52
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................. 55
3.1.PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG............................................................................ 55
3.2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................... 56

3.2.1.Qui trình chế tạo anten.................................................................................. 56
3.2.2. Kết quả ........................................................................................................ 57
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 59
4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI ............................................... 59

7


4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thƣờng .......................................................... 59
4.1.2. Kết quả mô phỏng anten mạch dải ............................................................... 60
4.1.3. Thảo luận..................................................................................................... 60
4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS........................... 61

4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS................................................................ 61
4.2.2. Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS ........................................................... 62
4.2.3. Thảo luận..................................................................................................... 63
4.3. MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL .......................................................... 63

4.3.1.Thiết kế anten metamaterial .......................................................................... 63
4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial ......................................................... 64
4.3.3. Thảo luận..................................................................................................... 64
4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN
TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL ...................................................................... 65

4.4.1.Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và
độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial ................................................... 65
4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của
anten metamaterial ................................................................................................ 68
4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ơ cơ sở của cấu
trúc HIS bằng nhau và khác nhau. ......................................................................... 70
4.5. KẾT QUẢ ĐO .................................................................................................. 64

4.5.1. Kết quả ........................................................................................................ 64
4.5.2 Thảo luận...................................................................................................... 65
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 75

8


MỞ ĐẦU
Truyề n thông không dây đã phát triể n rấ t nhanh chóng trong nhƣ̃ng năm gầ n
đây, theo đó các thiế t bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn hơn. Để thỏa mañ
nhu cầ u thu nhỏ các thiết bị di động a nten gắ n trên cá c thiế t bi ̣đầ u cuố i cũng phải
đƣơ ̣c thu nhỏ kić h thƣớc . Các anten phẳ ng , chẳ ng ha ̣n nhƣ a nten vi mạch dải
(microstrip antenna), có các ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ và dễ gắn lên các
thiế t bi ̣đầ u cuố i… .; chúng sẽ là lự a cho ̣n thỏa mañ yêu cầ u cầ n thiế t ở trên . Cũng
bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng , hiệu suất cao đã thu hút
rấ t nhiề u sƣ̣ quan tâm của các nhà nghiên cƣ́u về anten.
Gầ n đây, đă ̣c biê ̣t là sau năm 2000, nhiề u anten phẳ ng mới đƣơ ̣c thiế t kế thỏa
mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống

truyề n thông di đô ̣ng hiê ̣n nay , bao

gồ m GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS
(Digital Communication System, 1710 –

1880 MHz), PCS (Personal

Communication System , 1850 – 1990 MHz) và UTMS

(Universal Mobile

Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), đã đƣơ ̣c phát triể n và đã xuấ t bản
trong nhiề u các tài liê ̣u liên quan . Anten phẳ ng cũng rấ t thić h hơ ̣p đố i với ƣ́ng du ̣ ng

trong các thiế t bi ̣truyề n thông cho hê ̣ thố ng ma ̣ng cu ̣c bô ̣ không dây

(Wireless

Local Area Network, WLAN) trong các dải tầ n 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2
GHz (5150 – 5350MHz).
Anten ma ̣ch dải vố n đã có băng thông he ̣p và hiệu suất thấp nên việc nghiên
cứu để mở rô ̣ng băng thông và tăng hiệu suất anten thƣờng là nhu cầ u cần thiết đố i
với các ƣ́ng du ̣ng thƣ̣c tế hiê ̣n nay . Có nhiều cách để mở rộng băng thông và tăng
hiệu suất của Anten mạch dải nhƣ dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu…
Trong đó việc sử dụng một loại vật liệu mới là Metamaterials để cải thiện các tính
chất điện từ của anten là một phƣơng pháp mới rất hiệu quả và đƣợc nhiều nhóm
nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong những năm gần đây.
Metamaterials là vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng với các
tính chất vật lí khơng có trong vật liệu thơng thƣờng. Metamaterials đƣợc hiểu là

9


vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thơng
thƣờng nhƣ: Đảo ngƣợc điều kiện khúc xạ [4], đảo ngƣợc hiệu ứng Dopler [4], đảo
ngƣợc định luật Snell [4], Đảo ngƣợc hiệu ứng Goos-Hanchen [4],…Và một tính
chất đặc biệt quan trọng đó là Metamaterials có thể ngăn cản sự lan truyền sóng
điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất này ta có thể dùng Metamaterials để ngăn chặn
sự lan truyền sóng bề mặt của anten làm cải thiện một số tính chất của anten. Với
các cấu trúc Metamaterials thiết kế khác nhau có thể thay đổi các tính chất điện từ
của các loại Anten.
Với những lí do trên chúng tơi đã chọn đề tài “Ảnh hưởng của các tham số
cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” nhằm tìm ra cấu trúc
Metamaterials tối ƣu để cải thiện các tính chất điện từ của anten.

Mục đích nghiên cứu của luận văn:
+ Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu
trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để
ứng dụng trong thiết kế anten
+ Nghiên cứu ảnh hƣởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của
anten metamaterial.
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là sự kết hợp giữa mô phỏng và chế
tạo cùng các phép đo thực nghiệm.
Bố cục của luận văn bao gồm 03 phần:
Phần 1: MỞ ĐẦU
Phần 2: NỘI DUNG
Chƣơng 1: Tổng quan về anten
Chƣơng 2: Anten metamaterial
Chƣơng 3: Phƣơng pháp mô phỏng và thực nghiệm
Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận
Phần 3: KẾT LUẬN

10


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN
1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SĨNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC
THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN
1.1.1. Khái niệm anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ khơng
gian bên ngồi.
Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thơng tin, ra đa điều khiển…cũng
địi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà
cịn tham gia vào q trình gia cơng tín hiệu.
Trong trƣờng hợp tổng qt, anten cần đƣợc hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều

hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân
phối năng lƣợng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trƣờng hợp
anten phát), hoặc hệ thống gia cơng tín hiệu (trƣờng hợp anten thu).

Hệ thống
cảm thụ
bức xạ

Hệ thống

Hệ thống
cung cấp
tín hiệu

bức xạ

Anten thu

Anten phát
Máy phát

Hệ thống
gia cơng tín
hiệu

Thiết bị
xử lý

Thiết bị
điều chế

Máy thu

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu[1]
1.1.2. Q trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trƣờng hoặc
từ trƣờng 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.

11


Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thơng số tập trung, có kích thƣớc rất nhỏ so
với bƣớc sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong khơng gian
của tụ sẽ phát sinh điện trƣờng biến thiên nhƣng điện từ trƣờng này hầu nhƣ khơng
bức xạ ra ngồi mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển
qua tụ điện theo đƣờng ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên
năng lƣợng trƣờng bị giới hạn trong khoảng khơng gian ấy. Cịn năng lƣợng từ
trƣờng tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lịng cuộn cảm. Năng lƣợng
của cả hệ thống sẽ đƣợc bảo toàn nếu khơng có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và
điện mơi của mạch.
Nếu mở rộng kích thƣớc của tụ điện thì dịng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và
tạo ra điện trƣờng biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên
ngoài. Điện trƣờng 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 đƣờng sức điện sẽ khơng cịn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà
chúng phải tự khép kín trong khơng gian hay là hình thành một điện trƣờng xốy.
Theo qui luật của điện trƣờng biến thiên thì điện trƣờng xốy sẽ tạo ra một từ
trƣờng biến đổi từ trƣờng biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trƣờng xốy hình thành
q trình sóng điện từ.

Phần năng lƣợng điện từ thốt ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự
do đƣợc gọi là năng lƣợng bức xạ (năng lƣợng hữu công). Phần năng lƣợng điện từ
ràng buộc với nguồn gọi là năng lƣợng vơ cơng.[1]
1.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell.
Tồn bộ lý thuyết anten đƣợc xây dựng trên cơ sở những phƣơng trình cơ bản
của điện động lực học là các phƣơng trình Maxwell.
Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến
đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dƣới dạng phức

(1.1a)
E  Re( E e it )  E cos(t )

12

e it



E  Im( E e it )  E sin(t )

(1.1b)

Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân đƣợc viết dƣới dạng:


rotH  i p E  J e

(1.2)
(1.3)

rotE  iH
divE 




(1.4)
e

divH  0

(1.5)

E là biên độ phức của vecto cƣờng độ điện trƣờng: (V/m)
H là biên độ phức của vecto cƣờng độ từ trƣờng: (A/m)

Hệ số điện thẩm phức của mơi trƣờng đƣợc tính theo cơng thức:



 p   1  i

 

 

(1.6)

ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trƣờng: (F/m)
μ hệ số từ thẩm của môi trƣờng: (H/m)

σ điện dẫn xuất của môi trƣờng: (Si/m)
J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện: (

 e là mật độ khối của điện tích: (

A
)
m2

C
)
m3

Biết rằng nguồn tạo ra trƣờng điện từ là dịng điện và điện tích. Nhƣng trong
một số trƣờng hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, ngƣời ta
đƣa thêm vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dịng từ và từ tích. Khái niệm
dịng từ và từ tích chỉ là tƣợng trƣng chứ chúng khơng có trong tự nhiên.
Kết hợp với ngun lý đổi lẫn, hệ phƣơng trình Maxwell tổng quát đƣợc viết
nhƣ sau:
rotH  i p E  J e

(1.7)

13


rotE  iH  J m

m
divE 


divH  

(1.8)

(1.9)

e

(1.10)

Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E và H. Trong phƣơng trình
nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten
Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thơng số về điện cơ bản sau đây [3]:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hƣớng và độ tăng ích.
- Đồ thị phƣơng hƣớng.
- Cơng suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng.
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
a. 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:
ZA 

UA
 R A  jX A
IA

(1.11)

Trở kháng vào của anten ngoài ra cịn phụ thuộc vào kích thƣớc hình học của
anten và trong một số trƣờng hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
Thành phần thực của trở kháng vào RA đƣợc xác định bởi công suất đặt vào
anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:

14


RA 

(1.12)

PA
I Ae

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc tính
phân bố dịng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số
trƣờng hợp cụ thể có thể tính tốn theo các biểu thức của đƣờng dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể
truyền năng lƣợng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng
giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
b. Hiệu suất của anten
Anten đƣợc xem nhƣ là thiết bị chuyển đổi năng lƣợng, do đó một thơng số
quan trọng đặc trƣng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten  A chính là tỷ số giữa
cơng suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đƣa vào anten Pvào hay PA:

A 

(1.13)

Pbx
PA

Hiệu suất của anten đặc trƣng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với
anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó  A < 1.Gọi công suất tổn hao là Pth

PA  Pbx  Pth

(1.14)

Đại lƣợng công suất bức xạ và công suất tổn hao đƣợc xác định bởi giá trị điện
trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:
2
2
Rbx  Rth 
PA  I Ae
.RA  I Ae

(1.15)

Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành:

A 

Pbx
Rbx


Pbx  Pth Rbx  Rth

(1.16)

c. Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích
Nhƣ đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau
ngƣời ta đƣa vào thông số hệ số hƣớng tính (hệ số định hƣớng) và hệ số tăng ích (hệ
15


số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phƣơng hƣớng và hiệu
quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý
tƣởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tƣởng là anten có hiệu suất  A = 1, và năng lƣợng bức xạ đồng đều
theo mọi hƣớng. Anten lý tƣởng đƣợc xem nhƣ một nguồn bức xạ vô hƣớng hoặc là
một chấn tử đối xứng nửa bƣớc sóng.
Hệ số định hƣớng của anten D(,) là số lần phải tăng cơng suất bức xạ khi
chuyển từ anten có hƣớng tính sang anten vơ hƣớng (anten chuẩn) để sao cho vẫn
giữ nguyên giá trị cƣờng độ trƣờng tại điểm thu ứng với hƣớng (,) nào đó:
Pbx (1 , 1 ) E 2 (1 , 1 )
D(1 , 1 ) 

Pbx (0)
E 2 (0)

(1.17)

Trong đó:
D( 1 , 1 ) là hệ số định hƣớng của anten có hƣớng ứng với phƣơng ( 1 , 1 );
Pbx( 1 , 1 ) và Pbx(0) là cơng suất bức xạ của anten có hƣớng tính ứng với

hƣớng ( 1 , 1 ) và công suất bức xạ của anten vô hƣớng tại cùng điểm xét.
E( 1 , 1 ), E(0) là cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten
vơ hƣớng để có đƣợc trƣờng bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(1 , 1 ).
Hệ số tăng ích của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng cơng suất dựa
vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hƣớng sang một anten vô hƣớng để sao
cho vẫn giữ nguyên cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đã xác định (,):
Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trƣng cho anten cả đặc tính
bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.18) có thể thấy hệ số tăng ích ln nhỏ hơn hệ
số định hƣớng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính
đƣợc Pbx theo công thức sau:
Pbx  PA .G A

(1.19)

G( ,  )   A D( ,  )

16

(1.18)


d. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten
Mọi anten đều có tính phƣơng hƣớng nghĩa là ở một hƣớng nào đó anten phát
hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hƣớng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc
khơng bức xạ, khơng thu đƣợc sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định đƣợc tính
hƣớng tính của anten. Hƣớng tính của anten ngồi thơng số về hệ số định hƣớng nhƣ
đã phân tích ở trên còn đƣợc đặc trƣng bởi đồ thị phƣơng hƣớng của anten.
Đồ thị phƣơng hƣớng là một đƣờng cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị
tƣơng đối của cƣờng độ điện trƣờng hoặc công suất bức xạ tại những điểm có

khoảng cách bằng nhau và đƣợc biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tƣơng
ứng với các phƣơng của điểm xem xét.

Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc[1]
17


Dạng đồ thị phƣơng hƣớng có giá trị trƣờng theo phƣơng cực đại bằng một
nhƣ vậy đƣợc gọi là đồ thị phƣơng hƣớng chuẩn hố. Nó cho phép so sánh đồ thị
phƣơng hƣớng của các anten khác nhau. Trong không gian, đồ thị phƣơng hƣớng
của anten có dang hình khối, nhƣng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt
phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng đứng (góc ).
Trƣờng bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng khơng theo
sự biến đổi của các góc theo phƣơng hƣớng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị
phƣơng hƣớng ngƣời ta đƣa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng hay
còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ đƣợc xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính
vector có giá trị bằng 0.5 cơng suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ cịn đƣợc
gọi là góc mở nửa cơng suất.
e. Tính phân cực của anten
 

Trong trƣờng hợp tổng quát, trên đƣờng truyền lan của sóng, các vector E , H có
biên độ và pha biến đổi. Theo quy ƣớc, sự phân cực của sóng đƣợc đánh giá và xem xét
theo sự biến đổi của vector điện trƣờng. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm
cực đại) của vector điện trƣờng trong một chu kỳ lên mặt phẳng vng góc với phƣơng
truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình trịn
thì phân cực là trịn và nếu là dạng đƣờng thẳng thì là phân cực thẳng. Trong trƣờng
hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát cịn phân cực thẳng và trịn chỉ là
trƣờng hợp riêng

Hình 1.3: Phân cực tuyế n tính và phân cực tròn[1]

18


Tùy vào ứng dụng mà ngƣời ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan hoặc
thu sóng mặt đất thƣờng sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành
phần thẳng đứng của điện trƣờng trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm
ngang. Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thƣờng sử dụng anten phân
cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trƣờng bé hơn nhiều so với
thành phần đứng.
f. Dải tần của anten
Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thơng số tính tốn của
anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó đƣợc quy định là mức
nửa công suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch
chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của
anten thƣờng gọi là tần số cơng tác.
Thƣờng dải tần đƣợc phân làm 4 nhóm
- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):
f
f
 10% tức là max  1.1
f min
f0

- Anten dải tần tƣơng đối rộng
10% 

f

f
 50% tức là 1.1  max  1.5
f min
f0

- Anten dải tần rộng
1.5 

f max
4
f min

- Anten dải tần rất rộng
f max
4
f min

Trong đó: Δf = fmax – fmin
g. Các hệ thống anten
 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,
anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải
trong các thiết bị di động.
19


 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.
 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng
vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz).
 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.
Quy ƣớc về các dải tần số:

Dải tần số

Tên, ký hiệu

Ứng dụng

3-3 KHz

Very low Freq (VLF)

Đạo hàng, định vi.̣

30-300 KHz

Low Freq (LF)

Pha vơ tuyến cho mục
đích đạo hàng
Phát thanh AM, hàng hải,

300-3000 KHz

Medium Freq (MF)

trạm thông tin duyên hải,
tìm kiếm.
Điện thoại, điện báo, phát

3-30 MHz

High Freq (HF)

thanh sóng ngắn, hàng hải,
hàng khơng.
TV, phát thanh FM, điều

30-300 MHz

Very High Freq (VHF)

khiển giao

thông, cảnh

sát, taxi, đạo hàng.
300-3000 MHz

Ultra High Freq (UHF)

Tivi, thông tin vệ tinh, do
thám, radar.
Hàng không, vi ba, thông
tin di động, vệ tinh.

3-30 GHz

Super High Freq (SHF)

30-300 GHz

Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa
học

1.2. ANTEN MẠCH DẢI
Lí thuyết về anten mạch dải đã ra đời từ những năm 1950 xong con ngƣời mới
thực sự nghiên cứu về nó từ những năm 1970. Đến nay nó đƣợc ứng dụng rộng rãi
trong các thiết bị di động nhƣ: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại, máy tính,…),
máy bay, tên lửa, vệ tinh,… Với các ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn (có thể đạt đƣợc
20


kích thƣớc cỡ bƣớc sóng ánh sáng micromet), độ bền cao và giá thành rẻ,… Ngoài
ra chúng khá dễ dàng để thay đổi các đặc trƣng nhƣ tần số cộng hƣởng, tính phân
cực, đặc tuyến, trở kháng,…
Nhƣợc điểm của anten mạch dải là: hiệu suất thấp, năng lƣợng bức xạ thấp, dải
thơng hẹp và tính phân cực cao.
Dải tần làm việc của anten mạch dải cỡ GHz. Ở tần số thấp hơn thì kích thƣớc
và tính định hƣớng của anten rất lớn.
1.2.1. Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải
a. Cấu tạo
Anten mạch dải thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Mỗi phần tử anten
gồm các phần chính là: Các phiến kim loại mỏng có hình dạng khác nhau gắn trên
đế điện mơi.

Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải[2]
Phiến kim loại có kích thƣớc trong khoảng λ0/3 đến λ0/2, độ dày h (cỡ khoảng
0.003λ0 – 0.05λ0), mặt đối diện thƣờng đƣợc tiếp đất, hằng số điện môi của đế là εr
thƣờng trong khoảng 2.2 đến 12.
Thông thƣờng với đế điện môi dày và hằng số điện môi nhỏ sẽ làm cho tổn
hao năng lƣợng ít và dải thơng rộng hơn nhƣng ngƣợc lại làm cho kích thƣớc anten

lớn hơn khó để tích hợp cả anten và mạch tạo sóng trên cùng một board mạch.
Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W,
độ dày chất nền h, hằng số điện môi .

21


b. Phân loại anten mạch dải
 Anten mạch dải dạng tấm (microstrip patch antenna) gồm một tấm dẫn điện
gắn trên một đế điện mơi (hình 1.4). Tấm dẫn điện có thể là hình trịn, hình elip,
hình vng, hình chữ nhật, hình tam giác,… Thơng thƣờng ngƣời ta dùng hình
chữ nhật và hình trịn

Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm[2]
 Anten mạch dải lƣỡng cực (microstrip dipole antenna) gồm hai tấm dẫn điện
gắn ở hai phía đối xứng của tấm điện mơi (hình 1.6)

Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực[2]
 Anten khe mạch dải (printed slot antenna): gồm các khe hẹp trên mặt phẳng
của đế điện mơi, khe này có thể có hình dạng bất kì.

22


Hình 1.7: Anten khe mạch dải[2]
 Đƣờng kết nối với nguồn đƣợc khắc ở mặt sau và kí hiệu bằng đƣờng nét
đứt.
 Anten mạch dải song chạy (microstrip travelling – wave antenna): Gồm các
đoạn dãy xích hay dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt đế điện mơi.

Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy[2]
 Anten mạch dải dạng mảng:

c.

Các phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải

 Tiếp điện bằng đƣờng mạch dải: Là phƣơng pháp dùng một đƣờng mạch dẫn
có kích thƣớc nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng anten.

23


Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải[2]
 Với phƣơng pháp này dễ chế tạo, đơn giản trong kêt nối với anten, tuy nhiên
bề dày của đế điện môi tăng lên làm bức xạ sóng bề mặt và nhiễu tăng.
 Tiếp điện bằng cáp đồng trục: Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng tấm
điện môi lên tấm dẫn điện, lõi bên trong cáp xuyên qua lớp đế điện môi tiếp xúc
với patch, lớp bên ngoài nối với mặt phẳng đất.

Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục[2]
Đây là phƣơng pháp thơng dụng nhất có ƣu điểm là làm giảm nhiễu, dễ chế tạo, phối
hợp trở kháng tốt vì chỉ cần thay đổi vị trí tiếp điện là có thể thay đổi trở kháng vào,
dễ kết nối với anten , có nhƣợc điểm là khó đạt chuẩn và dải thơng hẹp.
 Tiếp điện bằng cách ghép khe: Với cách này thì patch và đƣờng tiếp điện
mạch dải đƣợc phân cách bởi mặt phẳng đất. Tấm patch đƣợc liên kết với đƣờng
tiếp điện thông qua một khe xuyên qua mặt phẳng đất.

24

Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe[2]
Ƣu điểm của cách kết nối này là: Khe ghép đƣợc đặt ngay dƣới trung tâm
của tấm patch giúp giảm bức xạ phân cực ngang, dễ dàng hơn trong việc thiết
kế, bức xạ nhiễu thấp.
Nhƣợc điểm: Khó chế tạo do khó tạo đƣợc chất điện môi nhiều lớp, bề dày của
anten tăng lên, băng thông hẹp.
 Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận: Với phƣơng pháp này tấm bức xạ và
đƣờng dẫn mạch dải nằm cùng một phía so với mặt phẳng đất.
Ƣu điểm: Băng thơng rộng nhất (có thể đạt tới 13%), dễ thiết kế và bức xạ nhiễu thấp.
Nhƣợc điểm: Khó chế tạo, bề dày anten lớn.

Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận[2]

25