(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế anten MIMO có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thông tin 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

INH H

NGHI N CỨU THI T
C

HỆ S

C CH Y C

NG

ANTEN MIMO
ỨNG D NG CH

HỆ TH NG TH NG TIN 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ỹ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

INH H

NG

NGHI N CỨU THI T
C

HỆ S

C CH Y C

NTEN

I

ỨNG D NG CH

HỆ TH NG TH NG TIN 5G
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng


i

LỜI C

Đ

N

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả đề xuất trong luận văn này là do bản
thân tôi thực hiện trong suốt thời gian làm luận văn. Các kết quả đạt đƣợc là
chính xác và trung thực.
Tác giả luận văn
L Minh Hoàng


ii

LỜI CẢ

ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô trong khoa Kỹ thuật và Công
nghệ đã tạo điều kiện, giúp đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng đã hƣớng
dẫn tận tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn đúng thời hạn.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng nhƣ năng lực bản thân nên
nội dung của bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và cần hồn thiện
thêm. Kính mong sự đóng góp ý kiến của Q Thầy Cơ.


1

ỞĐ U
Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ truyền thơng khơng dây
và nhu cầu ngày càng tăng của các ứng dụng linh hoạt, truyền thông thế hệ
tiếp theo (5G) đã trở thành một trong những chủ đề nóng nhất của ngành cơng
nghiệp anten [1–3]. Do hạn chế của ngu n phổ, các nghiên cứu hiện tại về

truyền thông 5G chủ yếu tập trung vào dải sóng mm. Dải tần khoảng 3.6 GHz
đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới do đặc tính về băng thơng và dải tần của
dải sóng mm [4].
Là một trong những công nghệ quan trọng nhất của truyền thông 5G,
công nghệ đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO) đƣợc áp dụng rộng rãi do tốc độ
truyền cao và chất lƣợng truyền thơng ổn định. Nó sử dụng nhiều anten để
truyền và nhận tín hiệu trong truyền thơng khơng dây; do đó, nó có thể nâng
cao dung lƣợng của hệ thống thông tin liên lạc và tỷ lệ sử dụng phổ tần mà
không làm tăng công suất phát. Khi thu nhỏ thiết bị điện tử đã trở thành xu
hƣớng chính cùng với sự phát triển của cơng nghệ, nó đ i hỏi anten có nhiều
phần tử phải đƣợc đặt trong một khu vực hạn chế. Đ ng thời, hệ thống MIMO
đ i hỏi sự cách ly cao giữa các anten khác nhau, do đó, cần nhiều khơng gian
hơn giữa các anten [5, 6]. Thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu là để tìm
ra sự cân bằng tốt nhất giữa thu nhỏ kích thƣớc và độ cách ly cao.
Trong truyền thông không dây hiện tại, các anten MIMO 2×2 hoặc 4×4
là những anten đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, giao tiếp 5G mang lại
yêu cầu cao hơn nhiều rằng cần có anten MIMO 8 × 8 hoặc thậm chí là lớn
trong thiết bị 5G. Số lƣợng anten MIMO tăng l n mang lại thách thức lớn cho
tất cả các nhà nghiên cứu trong ngành anten. Trong đó, ảnh hƣởng tƣơng hỗ
do ghép nối là một yếu tố quan trọng trong công nghệ MIMO đã nhận đƣợc


2

rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và sản xuất. Thực tế cho thấy
chỉ khi giải quyết tốt ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối, nâng cao hệ số cách ly
giữa các phần tử bức xạ thì anten MIMO mới đạt hiệu quả bức xạ tốt nhất,
đặc biệt trong các dải tần số của hệ thống thông tin thế hệ mới nhƣ 5G.
Với những lí do tr n, học viên đã chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế anten
MIMO có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thơng tin 5G”

Tổng quan tình hình nghiên cứu
Trong các hệ thống khơng dây, để duy trì tính độc lập của từng phần tử
anten trong hệ thống MIMO trong một khơng gian hạn chế, đó là một trong
những khó khăn cấp bách để khắc phục ảnh hƣởng ghép nối tƣơng hỗ từ anten
liền kề, đặc biệt là đối với các mảng băng tần kép [29–31]. Ghép nối tƣơng hỗ
là một hiện tƣợng phụ thuộc vào các phần tử mảng liền kề và ảnh hƣởng lớn
đến các đặc tính của hệ thống không dây phụ thuộc vào anten mảng và gần
đây là hệ thống truyền thông không dây MIMO. Để đạt đƣợc khả năng gh p
nối tƣơng hỗ thấp và cách ly cao giữa các phần tử anten liền kề và cũng có thể
triệt tiêu sóng bề mặt, một số phƣơng pháp đã đƣợc nghiên cứu và đề xuất
[32–37]. Kỹ thuật phổ biến nhất là sử dụng kỹ thuật phân tập không gian bằng
cách tách các phần tử anten. Tuy nhiên, kỹ thuật này có thể khơng phù hợp
với hầu hết các hệ thống khơng dây, vì nó đ i hỏi một không gian tƣơng đối
lớn để đặt hệ thống anten. Vì vậy, một số kỹ thuật tích hợp hiệu quả cho anten
vi dải đang đƣợc sử dụng nhiều trong thời gian gần đây, nhƣ phần tử ký sinh
[38, 39], mạng cách ly, đƣờng trung tính,.. thể hiện hiệu quả trong cải thiện hệ
số cách lý cổng giữa các phần tử anten trong hệ MIMO.
 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế anten MIMO cho hệ thống thông tin 5G hoạt động ở tần
số 3.6 GHz, có các hệ số cách ly cổng giữa các phần tử bức xạ cạnh nhau cao,
đảm bảo đặc tính bức xạ của anten.


3
 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan anten và hệ thống anten MIMO.
Nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp cải thiện hệ số cách ly cổng giữa các
phần tử bức xạ trong anten MIMO.
Thiết kế, tối ƣu mô phỏng anten MIMO 2×2 phần tử.
 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Anten vi dải, anten MIMO
Các cấu trúc cải thiện cách ly.
Hệ thống thơng tin 5G bƣớc sóng mm tại tần số 3.6 GHz.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan kết hợp với tính tốn thiết kế, mô phỏng
kiểm chứng kết quả thiết kế theo lý thuyết.


4

CHƢƠNG 1:

THUY T V ANTEN VI DẢI

1.1. Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này tập trung khái quát các khái niệm về anten, đặc tính của
nó

Đ ng thời, giới thiệu về anten vi dải, là một trong những loại anten phổ

biến trong hệ thống thông tin.
1.2. Tổng quan về anten
1.2.1.
Anten là thiết bị d ng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ
khơng gian bên ngồi. Trong trƣờng hợp tổng quát, anten cần đƣợc hiểu là
một tổ hợp bao g m 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 xử lý tín hiệu
(trƣờng hợp anten thu).

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu

Q trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Khi năng lƣợng từ ngu n đƣợc truyền tới anten, có 2 trƣờng sẽ đƣợc
tạo ra. Một là trƣờng cảm ứng (trƣờng khu gần), trƣờng này ràng buộc với
anten; trƣờng còn lại là trƣờng bức xạ (trƣờng khu xa). Ngay tại anten (trong
trƣờng khu gần), cƣờng độ trƣờng tại đây rất lớn và tỉ lệ tuyến tính với năng


5
lƣợng đƣợc cấp vào anten. Tại khu xa anten, chỉ có năng lƣợng của trƣờng
bức xạ là đƣợc duy trì. Trƣờng khu xa bao g m 2 thành phần đó là điện
trƣờng và từ trƣờng (hình 1.2).

Hình 1 2: Điện trƣờng và từ trƣờng tại trƣờng khu xa

Hai thành phần điện trƣờng và từ trƣờng bức xạ từ anten sẽ tạo thành
trƣờng điện từ. Về cơ bản, sóng vơ tuyến là một trƣờng điện từ di chuyển. Khi
sóng truyền đi, năng lƣợng mà sóng mang theo sẽ đƣợc trải ra trên một diện
tích ngày càng lớn. Điều này làm cho năng lƣợng trên một diện tích cho trƣớc
giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến ngu n tăng.
1.2.2.
Toàn bộ lý thuyết anten đƣợc xây dựng tr n cơ sở những phƣơng trình
cơ bản của điện động lực học là các phƣơng trình Maxwell.


6
Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các q trình
biến đổi điều hịa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dƣới dạng
it

phức e


E  Re( E e it )  E cos(t )

E  Im( E e it )  E sin(t )

(1.1a)
(1.1b)

Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân đƣợc viết dƣới dạng:

rotH  i p E  J e

(1.2)

rotE  iH

(1.3)
(1.4)

e
divE 


(1.5)

divH  0
E

là bi n độ phức của vecto cƣờng độ điện trƣờng: (V/m)

H

là bi n 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 bi n độ phức của vecto mật độ d ng điện: (

 e là mật độ khối của điện tích: (

A
)
m2

C

)
m3

Biết rằng ngu n tạo ra trƣờng điện từ là d ng 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 th m vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dòng từ


7
và từ tích. Khái niệm dịng từ và từ tích chỉ là tƣợng trƣng chứ chúng khơng
có trong tự nhiên.
Kết hợp với nguy n lý đổi lẫn, hệ phƣơng trình Maxwell tổng quát đƣợc
viết nhƣ sau:
rotH  i p E  J e

(1.7)

rotE  iH  J m

m
divE 


(1.8)

e
divH  


(1.9)

(1.10)
Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E và H. Trong phƣơng
trình nghiệm đó cho chúng ta biết ngu n gốc sinh ra E, H và cách thức lan
truyền.
1.2.3.

ả

anten

Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hƣớng và độ tăng ích.
- Đ thị phƣơng hƣớng và góc bức xạ của anten
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
1.2.3.1. Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten ZA bao g m cả phần thực và phần kháng là tỷ
số giữa điện áp UA đặt vào anten và d ng điện IA trong anten:


8

ZA 

UA
 R A  jX A
IA

(1.11)

Trở kháng vào của anten ngồi 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 d ng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:
RA 

PA
I Ae

(1.12)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc
tính phân bố d ng 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.
1.2.3.2. 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 công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đƣa vào anten Pvào hay PA:

A 

Pbx
PA

(1.13)

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 cơng 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:


9
2
2
Rbx  Rth 
PA  I Ae
.R A  I Ae

(1.15)

Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành:
A 

Pbx
Rbx

Pbx  Pth Rbx  Rth

(1.16)

1.2.3.3. Hệ số định hướng 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 định hƣớng (hệ số hƣớng tính) và hệ số tăng
ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho ph p đánh giá phƣơng
hƣớng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của tr n 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 đ ng
đều theo mọi hƣớng. Anten lý tƣởng đƣợc xem nhƣ một ngu n 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 công 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:
D(1 , 1 ) 

Pbx (1 , 1 ) E 2 (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 c ng điểm xét.
E( 1 , 1 ), E(0) là cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng.

10
Điều này có nghĩa là phải tăng l n 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 công suất
dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hƣớng sang một anten vô
hƣớng để sao cho vẫn giữ nguy n cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đã
xác định (,):
G( ,  )   A D( ,  )

(1.18)

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 cơng thức sau:
Pbx  PA .G A

(1.19)

1.2.3.4. 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 không bức xạ, không 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 tr n c n đƣợc đặc trƣng bởi đ thị
phƣơng hƣớng của anten.
Đ 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.


11

Hình 1 3: Đồ thị phƣơng hƣớng của anten [7]

Dạng đ thị phƣơng hƣớng có giá trị trƣờng theo phƣơng cực đại bằng
một nhƣ vậy đƣợc gọi là đ thị phƣơng hƣớng chuẩn hố. Nó cho phép so
sánh đ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau. Trong không gian, đ 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


12
giá dạng của đ thị phƣơng hƣớng ngƣời ta đƣa vào khái niệm độ rộng của đ
thị phƣơng hƣớng hay cịn 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 c n đƣợc gọi là góc mở nửa cơng suất.
1.2.3.5. Tính phân cực của anten
Trong trƣờng hợp tổng quát, tr n đƣờng truyền lan của sóng, các vector
 
E , H có bi n độ và pha biến đổi. Theo quy ƣớc, sự phân cực của sóng đƣợc

đánh giá và xem x t 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 còn phân
cực thẳng và tròn chỉ là trƣờng hợp riêng

Hình 1 4: Ph n c c tu ến t nh, ph n c c tr n và phân c c elip

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 b hơn nhiều so với


13
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 b hơn nhiều so với thành phần đứng.
1.2.3.6. 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 cơng suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten
thì việc lệch chuẩn đó làm giảm cơng suất bức xạ không quá 50%. Các tần số
trong dải tần của anten thƣờng gọi là tần số công tác.
Thƣờng dải tần đƣợc phân làm 4 nhóm
- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):
f
f
 10% tức là max  1.1
f0

f min

- Anten dải tần tƣơng đối rộng
10% 

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

- 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
1.3. Anten vi dải
1.3.1.

anten

ả

Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu ti n đƣợc khởi xƣớng bởi Deschamps
vào năm 1953. Nhƣng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi
dải mới đƣợc chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu ti n đƣợc phát triển


14
bởi Howell và Munson và đƣợc tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều
lĩnh vực khác nhau.
Anten vi dải đơn giản nhất bao g m một pach kim loại rất mỏng (bề dày
t << λ0, λ0 là bƣớc sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một
khoảng rất nhỏ ( h << λ0, thƣờng thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0). Patch của anten vi
dải đƣợc thiết kế để có đ thị bức xạ cực đại. Điều này đƣợc thực hiện bằng
cách lựa chọn đúng mode của trƣờng bức xạ ở v ng không gian b n dƣới
patch. Bức xạ end-fire cũng có thể thực hiện đƣợc bằng cách lựa chọn đúng
mode hoạt động. Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thƣờng đƣợc
sử dụng trong khoảng λ0/3 < L< λ0/2. Patch và mặt phẳng đất đƣợc tách biệt
bởi một lớp điện môi nền nhƣ hình 1.5.
z
Feed
Patch
y0

h
Khe bức xạ #1

Khe bức xạ #2

(r,Φ,θ)
Φ

(a) Anten vi dải

w

GND

L

x

(c) Hệ trục tọa độ

t

єr

θ

h

y

(b) Mặt phẳng cắt ngang

Hình 1 5: Anten vi dải [7]

Có nhiều điện mơi nền có thể đƣợc sử dụng để thiết kế anten vi dải và
hằng số điện môi của chúng thƣờng nằm trong khoảng 2.2< εr < 12. Những
lớp điện môi đƣợc sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng
số điện môi của chúng thƣờng thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu

suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trƣờng tổn hao vào


15
trong khơng gian, nhƣng kích thƣớc các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ
các trƣờng tổn hao vào trong khơng gian, nhƣng kích thƣớc các phần tử lớn
hơn. Nền mỏng với hằng số điện mơi lớn hơn có thể đƣợc sử dụng để thiết kế
các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trƣờng chặt chẽ để giảm
thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đ ng thời cũng cho kích thƣớc
các phần tử nhỏ hơn. Tuy nhi n vì sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp
và băng thông nhỏ hơn.
1.3.1.1.

c h nh ạng cơ ản củ anten i ải

-Anten patch vi dải

Hình 1 6:

ột số hình dạng của anten patch vi dải

Anten patch vi dải bao g m một patch dẫn điện nằm trên bề mặt của một chất
nền điện môi, mặt kia của lớp điện môi là mặt phẳng đất. Một số hình dạng
điển hình của miếng bức xạ anten vi dải đƣợc trình bày ở hình 1.5.
-Anten khe mạch in
Các anten khe mạch in có một khe đƣợc kht trên mặt kim loại nhƣ mơ
tả ở hình 1.6. Khe kht này có thể có bất kỳ hình dạng nào. Về lý thuyết, hầu
hết các hình dạng của anten patch vi dải đều có thể đƣợc thực hiện khoét khe
và trở thành một dạng của anten khe mạch in.

16

Hình 1 7:

ột số oại anten he mạch in

1.3.1.2. Đ c tính củ anten vi dải (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống
khác. Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần
từ 100 MHz đến 100Ghz. MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả
cho nhiều ứng dụng với nhiều ƣu điểm, tuy nhiên, nó vẫn cịn một số khuyết
điểm cần đƣợc khắc phục.
 Ƣu điểm:
•

Có khối lƣợng và kích thƣớc nhỏ, bề dày mỏng.

•

Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt.

•

Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp ngu n đơn giản.

•

Các đƣờng cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản

xuất đ ng thời với việc chế tạo anten.
•

Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền.

•

Linh động giữa phân cực trịn và phân cực thẳng.

•

Tƣơng thích cho các thiết bị di động cá nhân.
 Khuyết điểm:

•

MSA có băng thơng hẹp và các vấn đề về dung sai.

•

Một số MSA có độ lợi thấp.

•

Khả năng tích trữ cơng suất thấp.


17
•

Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa khơng gian phía trên mặt phẳng

đất.
•

Có bức xạ dƣ từ đƣờng truyền và mối nối.

MSA có băng thơng rất hẹp, thơng thƣờng chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế
lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng. Với những ƣu điểm
vƣợt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng.
1.3.1.3.

c

th t cấp ng ồn ch anten i ải

Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên
các kỹ thuật để cấp ngu n cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một
đƣờng truyền vi dải hoặc một probe đ ng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối
đến patch kim loại của anten vi dải. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, một số kỹ thuật cấp ngu n mới cho anten vi dải đã đƣợc nghiên cứu và
phát triển. Hiện nay các phƣơng pháp phổ biến d ng để cấp ngu n cho anten
vi dải là: cấp ngu n sử dụng đƣờng truyền vi dải, probe đ ng trục, ghép khe
(aperture-coupling), ghép gần (proximiti-coupling).
Việc lựa chọn cấp ngu n phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Tuy
nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lƣợng giữa phần bức xạ
và phần cấp ngu n tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với
nhau. Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bƣớc, việc uốn cong,.. cũng làm
phát sinh bức xạ rị và suy hao sóng mặt. Các bức xạ không mong muốn này
làm tăng bức xạ phụ trong đ thị bức xạ của anten vi dải. việc giảm thiểu bức

xạ rị và những ảnh hƣởng của nó l n đ thị bức xạ là một trong những yếu tố
quan trọng đánh giá việc cấp ngu n có tốt hay khơng?
 Cấp nguồn bằng đƣờng truyền vi dải
Việc kích thích cho anten vi dải bằng đƣờng truyền vi dải trên cùng một lớp
nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể đƣợc xem là một đƣờng
truyền vi dải hở và cả hai có thể đƣợc thiết kế trên cùng một mạch. Tuy nhiên,


18
kỹ thuật này có vài hạn chế. Đó là sự phát xạ khơng mong muốn từ đoạn feed
line khi kích thƣớc đoạn feed line là đáng kể so với patch (ví dụ trong trƣờng
hợp L đủ nhỏ đối với khoảng vài mm).
Feed
Patch

GND

Hình 1.8: Cấp nguồn dùng đƣờng truyền vi dải

 Cấp nguồn bằng probe đồng trục
Cấp ngu n qua probe là một trong những phƣơng pháp cơ bản nhất để
truyền tải công suất cao tần. Với cách feed này, phần lõi của đầu feed đƣợc
nối với patch, phần ngoài nối với ground plane. Ƣu điểm của cách này là đơn
giản trong q trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do
đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng. Tuy nhi n cách này có nhƣợc điểm là:
Thứ nhất, vì d ng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngồi làm cho anten
khơng hồn tồn phẳng và mất đi tính đối xứng. Thứ hai, khi cần cấp ngu n
đ ng trục cho một dãy sẽ đ i hỏi số lƣợng đầu nối tăng l n và nhƣ thế việc
chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi. Thứ ba, khi cần tăng băng thơng
của anten thì đ i hỏi phải tăng bề dày lớp nền cũng nhƣ chiều dài của probe.

Kết quả là bức xạ r và điện cảm của probe tăng l n.
Điểm tiếp xúc điện

Patch

Patch

єr
GND

Cáp đồng trục

Hình 1 9: Cấp nguồn dùng cáp đồng trục


19
 Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép khe – Aperture coupled

Patch

GND
khe

єr2
єr1
Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1 10: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép he – Aperture coupled

Phƣơng pháp cấp ngu n cũng thƣờng đƣợc sử dụng nhằm loại bỏ sự

bức xạ không cần thiết của đƣờng microstrip line. Cấu trúc bao g m 2 lớp
điện môi. Patch antenna đƣợc đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot
nhỏ, đƣờng truyền feed line ở lớp điện môi dƣới. Thông thƣờng thì miếng
điện mơi ở trên có hằng số điện mơi thấp, lớp điện mơi ở dƣới có hằng số điện
mơi cao để nhằm mục đích tối ƣu hóa sự bức xạ của anten. Tuy nhiên,
phƣơng thức cấp ngu n này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng
độ dày của anten. Phƣơng pháp cấp ngu n này thì cho băng hẹp (narrow
bandwith).
1.3.2.

anten

ả

Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để phân tích anten vi dải. Mỗi
phƣơng pháp đƣa ra một mơ hình gần đúng cho anten để phân tích. Mơ hình
phổ biến nhất là mơ hình đƣờng truyền (microstrip line), mơ hình hốc cộng
hƣởng (cavity model).
Việc đƣa ra các mơ hình phân tích có một ý nghĩa thực tiễn thực tiễn rất
lớn vì các lí do:
•

Giúp ta giảm bớt một lƣợng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ

bằng cách tác động vào quá trình thiết kế.


20
•

Giúp ta đánh giá một cách chính xác các ƣu khuyết điểm của anten

bằng cách nghiên cứu các thông số của nó.
•

Cung cấp các ngun lý hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tảng

cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết kế sau này.
•

Mơ hình đƣờng truyền sóng xem một anten vi dải có patch hình chữ

nhật nhƣ là một đoạn của đƣờng truyền vi dải. Đây là mơ hình đơn giản nhất,
nó cho ta một sự hiểu biết vật lý sâu sắc nhƣng k m chính xác và khó áp dụng
cho các mơ hình gh p, cũng nhƣ không thể áp dụng cho các anten có dạng
phức tạp.

w

єr
(b) Trường điện

(a) Microstrip line

єreff
t

h

(c) Hằng số điện mơi hiệu dụng

Hình 1 11: Các th ng số của m hình đƣờng tru ền

Khác với mơ hình đƣờng truyền sóng, mơ hình hốc cộng hƣởng có độ
chính xác cao hơn nhƣng đống thời cũng phức tạp hơn. Tuy nhi n, mơ hình
này ƣu điểm là có thể áp dụng đƣợc trên nhiều dạng khác nhau của patch.
Cũng nhƣ mô hình đƣờng truyền sóng, mơ hình hốc cộng hƣởng cũng cho
một sự hiểu biết vật lý sâu sắc và khá phức tạp khi áp dụng cho các mơ hình
ghép anten và nó cũng đƣợc sử dụng khá thành cơng. Ở đây, ta xem x t mơ
hình đƣờng truyền và mơ hình hốc cộng hƣởng. Tuy nhi n, trong đó cũng sử


21
dụng một số kết quả tính tốn và thiết kế của mơ hình tồn sóng. Trong đó,
chúng ta chỉ xem xét dạng anten vi dải phổ biến và thực tế nhất là patch hình
chữ nhật.
1.4. Tổng ết chƣơng
Anten đóng một vai trị, vị trí quan trọng trong đời sống thơng tin.
Chƣơng này đã đƣa ra các khái niệm, định nghĩa cơ bản nhất, giới thiệu về
anten vi dải. Trong chƣơng tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn về anten
MIMO, một trong những anten đƣợc d ng phổ biến cho hệ thống thông tin
hiện nay.