nghiên cứu và thiết kế anten vi dải

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tình truyền
đạt kiến thức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện để
em có thể thực hiện khóa luận này.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị Tú
Quỳnh,những người đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận.
Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trong
những lúc gặp khó khăn khi thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả.
Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010
Sinh viên
Phạm Phú Hưng

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
LỜI MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các
thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di
động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng,
chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu
điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, … sẽ là lựa chọn thỏa mãn
yêu cầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất
nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu
về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System
for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880
MHz), PCS (Personal Communication System,1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System, 1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tài
liệu liên quan.
Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống
mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 –
2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp nên việc mở

rộng băng thông thường là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay.
Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng
dụng thực tế của anten vi dải.
Khóa luận tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật với kỹ
thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR nhằm làm rõ những đặc trưng cơ bản như đặc tính
bức xạ,băng thông trở kháng … của anten vi dải.
Khóa luận gồm 3 chương :
 Chương 1 : Lý thuyết về anten và anten vi dải.
 Chương 2 : Giới thiệu phần mềm AWR.
 Chương 3 : Thiết kế,mô phỏng anten vi dải bằng AWR.
Phần đầu trong chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten cùng với các tham số cơ bản của nó
như giản đồ bức xạ,hệ số định hướng,hệ số tăng ích…Phần tiếp theo trình bày sơ lược về lý thuyết
anten vi dải,ưu và nhược điểm các loại anten vi dải và các kỹ thuật tiếp điện thường gặp cho
chúng.
Chương 2 trình bày một cách tổng quát về cách tổng quan về phần mềm thiết kế AWR,sơ lược
cách sử dụng phần mềm.
Chương 3 đi vào tính toán,thiết kế các tham số cần thiết cho một anten patch vi dải tuyến tính
ghép khe hở và tiến hành mô phỏng nó trên phần mềm AWR.Cuối chương 3 là phần kết luận và
đặt ra những hướng phát triển tiếp theo nhằm giúp đề tài hoàn thiện hơn.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 2
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
DANH MỤC HÌNH VẼ.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 3
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
MỤC LỤC
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI
1. Lý thuyết chung về anten.
1.1. Giới thiệu anten.
Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không

gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín
hiệu RF (Radio Frequency : tần số vô tuyến) và sự bức xạ,lan truyền của sóng điện từ trong
không gian.
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 thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ,gọi là
fide (như hình 1.1).Trong hệ thống này,máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần.Dao
động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát
có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không
gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận
được một phần năng lượng điện từ do an ten phát truyền đi,phần còn lại sẽ bức xạ lại vào không
gian)và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồi truyền đến máy thu. Yêu cầu đặt ra cho thiết
bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền dẫn và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà
không gây ra méo dạng tín hiệu.
1.2. Các tham số cơ bản của anten .
1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten.
Hình 1. Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian,bắt nguồn từ
lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ.Trước hết,trường từ biến thiên sinh ra trường điện
biến thiên,sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra
trường từ biến thiên.Quá trình này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai
thành phần phụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H).Hai trường này vuông góc với
nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian.
Khi năng lượng từ máy phát truyền
tới anten,nó sẽ hình thành hai trường.Một
trường là trường cảm ứng (trường khu gần),trường này bị ràng buộc với anten,có cường độ lớn và
tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten.Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm
hai thành phần là điện trường và từ trường (hình 1.2).Tại khu xa,chỉ có bức xạ được duy trì.

Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trường điện từ.Trường
điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự do.Sóng vô tuyến là một trường điện
từ di chuyển.Trường khu xa là một sóng phẳng;khi sóng truyền đi,năng lượng mà nó mang theo
trải trên một diện tích tăng dần theo khoảng cách.Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích
cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng.
1.2.2. Giản đồ bức xạ.
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 được đặc tính bức xạ và
đặc tính định hướng của anten.
Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không
gian.Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công
suất bức xạ,cường độ bức xạ,hệ số định hướng…
Hình 1. Các trường bức xạ ở khu xa.
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.


Chúng ta có thể vẽ
giản đồ bức xạ 3 chiều
tuy nhiên đối với
nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc
tính bức xạ của anten.
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đầu vào thành công suất
bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten
tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế.
Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng
nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại.

Hình 1. Hệ tọa độ phân tích của anten.
Hình 1. Bức xạ đẳng hướng.

Hình 1. Bức xạ hướng tính
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính của anten.Mặt
phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, 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 sao cho mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng
tọa độ (mặt phẳng x,y hoặc z) như hình 1.5.
Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân
thành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực
3D đối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy
khác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D).


Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ
cực đại,trong hình 1.6 thùy chính có hướng
θ = 0.Trên thực tế,có thể tồn tại nhiều hơn
một thùy chính.Thùy phụ là bất kỳ thùy
Hình 1. Các búp sóng trong không gian 3 chiềuHình 1.6. Các búp sóng trong
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
nào ngoài thùy chính.Thông thường,thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính và định xứ ở bán
cầu theo hướng của thùy chính.Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ
180
0
so với
thùy chính và thường định xứ ở bán cầu ngược với thùy chính.


1.2.3. Mật độ công suất bức xạ.
Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫn

sóng.Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tức
thời :
W = E
×
H
(1.1)
W = vector Poying tức thời (W/
m
2
)
E = cường độ điện trường tức thời (V/m)
H = cường độ từ trường tức thời (A/m).
Hình 1. Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thành phần pháp
tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín.

ˆ
S S
× × ×
∫∫ ∫∫
= =
Ò Ò

P W W
ds n da
(1.2)
P = tổng công suất tức thời (W).

̂

n
= vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt.
da = vi phân diện tích của bề mặt (
m
2
).
Khi trường biến đổi theo thời gian,ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy
tích phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ.Khi trường biến đổi
tuần hoàn theo thời gian có dạng
e
jwt
,ta định nghĩa được thành phần E và H,chúng có quan hệ
với các thành phần tức thời E và H theo công thức như sau :
E (x,y,z)= Re [E(x,y,z)
e
jωt
] =
1
2
Re [
E e
jωt
+E
¿
e
− jωt
]
(1.3)
H(x,y,z)= Re [H(x,y,z)
e

jωt
] =
1
2
Re [
H e
jωt
+ H
¿
e
−jωt
]
(1.4)
Khi đó (1.1) có thể được viết lại :
W = E
×
H =
1
2
Re [
E H
¿
] +
1
2
Re[
EH e
j2ωt
] (1.5)
Thành phần đầu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ hai biến đổi

theo thời gian với tần số bằng 2 lần tần số
ω
cho trước.Vector Poying trung bình theo thời
gian (mật độ công suất trung bình ) có thể được viết lại :

E ×H∗¿
W
av
(
x , y , z
)
=
[
W ( x , y ,z ;t )
]
av
=
1
2
ℜ ¿
(1.6)
Dựa trên (1.6),công suất phát xạ trung bình của anten có thể được định nghĩa là :
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

ˆ
1
Re( * )
2
S S
S

av
rad
av
rad
P P W ds W n ds
E H ds
×
∫∫ ∫∫
∫∫
= = = × ×
=
Ò Ò
Ò
(1.7)
1.2.4. Cường độ công suất bức xạ.
Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bức xạ từ
anten trên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và được xác định bằng
cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách :
U =
r
2
×W
rad
(1.8)
Trong đó U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).

W
rad
là mật độ công suất bức xạ (W/
m

2
).
Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :

P
rad
=
∯
U dΩ=
∫
0
2π
∫
0
π
sinθ dφdθ
(1.9)

dΩ=sin θ dφd θ
là đơn vị góc khối (steradian).
1.2.5. Hệ số định hướng.
Hệ số định hướng (D) của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ của aten theo một hướng cho
trước so với cường bức xạ trung bình theo tất cả các hướng.Nếu hướng không được xác định thì
hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn.
Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ của
anten theo hướng cho trước (
U
) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (
U
0

).

D=
U
U
0
=
4πU
P
rad
(1.10)

U
o
=
P
rad
4π
(1.11)
Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau :

D
max
=D
0
=
U
max
U
0

=
4πU
max
P
rad
(1.12)
Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên).
U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

U
0
là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng .

P
rad
là tổng công suất bức xạ (W).
Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức :

D=
32.400
θ
1
θ
2
(1.13)
với
θ
1
,θ

2
là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính.
1.2.6. Hệ số tăng ích.
Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G).Hệ số tăng
ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc
tính hướng tính của nó.Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của
anten.
Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng và khoảng
cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) theo
hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn
có hiệu suất bằng 1.

G
(
θ , φ
)
=
M ật đ ộ công su ấ t theo h ư ớ ng(θ ,φ)
M ật đ ộ công su ấ t củ aanten chu ẩ n
(1.14)
Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác
dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy
cảm với sự phân cực).Trong thực tế,tham số này đã đưa ra tham số hiệu suất của anten ,
η
,
cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào.

G=η× D
(1.15)
1.2.7. Phân cực.

Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực của sóng được truyền đi bởi
anten.Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân cực theo hướng có
hệ số tăng ích cực đại.
Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vector trường khi
được quan sát dọc theo chiều truyền sóng.Một phân cực của anten có thể được phân loại như tuyến
tính,tròn hay ellip.

Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.


a.Phân cực thẳng ; b. Phân cực tròn ; c. Phân cực ellip
Đầu mút của vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ gọi là phân cực phải
(clockwise_CW) và quay ngược chiều kim đồng hồ gọi là phân cực trái (counterclockwise_CCW).
Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểu diễn
như sau :
E (z;t) =
̂
a
x
E x (z;t) +
̂
a
y
E y(z;t)
(1.16)
Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phần tức thời và thành phần phức :
E x (z;t) = Re [
E
x
e

j(ωt +kz)
] = Re [
E
x0
e
j(ωt+ kz+ θx)
]
=
E
x0
cos(ωt +kz +θx)
(1.17)
E y(z;t) = Re [
E
y
e
j (ωt+kz)
] = Re [
E
y0
e
j(ωt +kz+θy )
]
=
E
y0
cos(ωt+kz +θy)
(1.18)
Với
E

x0
, E
y0
tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần theo trục x và trục y.
Phân cực thẳng
Để bức xạ có phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa hai thành phần phải là :

∆ φ=φ
x
−φ
y
=nπ
n=0,1,2,3……. (1.19)
Phân cực tròn
Phân cực tròn có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ bằng nhau và có độ lệch pha theo
thời gian giữa chúng phải bằng số lẻ lần
π
2
.Tức là :
|E x |=|E y| <=>
E
x0
=E
y0

(1.20)

∆φ=φ
x
−φ

y
=
{
+
(
1
2
+2n
)
π v ớ i n=0, 1,2…..( đ ố i v ớ i CW)
−
(
1
2
+2n
)
π v ớ i n=0,1, 2… .. (đ ố i vớ i CCW)
(1.21)
Phân cực elip
Hình 1. Phân cực của anten
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Phân cực elip có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ không bằng nhau và có độ lệch
pha theo thời gian là số lẻ lần
π
2
hoặc độ lệch pha của hai thành phần không phải là bội của
π
2
(không quan tâm đến biên độ của chúng).
|E x |

≠
|E y| <=>
E
x0
≠ E
y0

(1.22)

∆φ=φ
x
−φ
y
=
{
+
(
1
2
+2n
)
π v ớ i n=0, 1,2…..( đ ố i v ớ i CW)
−
(
1
2
+2n
)
π v ớ i n=0,1, 2… .. (đ ố i vớ i CCW)
(1.23)

hoặc
∆ φ=φ
x
−φ
y
≠ ±
n
2
π =
{
¿ 0 đ ố iv ớ iC W
¿ 0đ ố iv ớ i CCW
(1.24)
1.2.8. Băng thông.
Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu
chuẩn nhất định.Băng thông có thể là khoảng tần số,về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần
số cộng hưởng),ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào,độ rộng búp sóng,hướng búp
sóng,giản đồ,phân cực,cấp thùy bên,…) đạt giá trị có thể chấp nhận được.
Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khác giữa hai
tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm.

BW =
f
max
− f
min
f
0
×100
(1.25)

Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực…của anten
không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau.Tùy các ứng
dụng cụ thể,yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp.

1.2.9. Trở kháng vào.
Trở kháng vào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của
nó hay tỉ số điện áp trên dòng điên hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tương ứng tại cùng một
điểm.Ở đây,ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đầu vào của anten.Tỉ số điện áp trên dòng điện ,trong
trường hợp không có tải,xác định trở kháng của anten :

Z
A
=R
A
+ X
A
(1.26)
Với
Z
A
là trở kháng đầu vào của anten (
Ω
)

R
A
là điện trở của anten tại các đầu vào (
Ω
)
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.

X
A
là kháng trở đầu vào của anten (
Ω
)
Nói chung thành phần điện trở trên bao gồm 2 thành phần :

R
A
¿ R
r
+ R
l
(1.28)

R
r
là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (Ω)

R
l
là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (Ω)
Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần số.Do đó anten chỉ phối hợp tốt với
đường tiếp điện ở trong cùng một dải tần nào đó.Hơn nữa,trở kháng vào của anten còn phụ thuộc
vào nhiều yếu tố kháng như : hình dạng anten,kỹ thuật tiếp điện,các yếu tố xung quanh…Do sự
phức tạp của nó,chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu,phân tích tỉ mỉ.Với các
loại anten khác ,trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm.
2. Lý thuyết chung về anten vi dải.
2.1. Giới thiệu.

Các khái niệm đầu tiên của anten vi dải được đưa ra bởi Deschamp (1953),Gutton và Baissinot
(1955).Tuy nhiên,mãi đến những năm 70,khi các yếu tố kỹ thuật được đáp ứng đầy đủ (chất nền
tốt,các mô hình lý thuyết đầy đủ hơn,…),thì anten vi dải mới được phát triển mạnh mẽ với các ưu
điểm nổi bật như khối lượng nhẹ,thể tích nhỏ,giá thành thấp,cấu trúc đơn giản,thích hợp với các
mạch tích hợp…
Hình 1.9 mô tả cấu trúc đơn giản nhất của
một anten vi dải bao gồm một patch bức xạ nằm
trên một nền điện môi (
ϵ
r
≤ 10
) và một mặt
phẳng đất (ground plane) nằm ở mặt còn lại
của chất nền.Chất dẫn patch,thường bằng đồng
hoăc vàng,có nhiều hình dạng khác nhau nhưng
các dạng thông thường nói chung là thường được sử dụng để dễ phân tích cũng như tính toán hiệu
suất.
Hằng số điện môi (
ϵ
r
) của chất nền đóng vai trong quan trong nhất đối với hoạt động
của anten vi dải.Nó ảnh hưởng đến đăc tính trở kháng,tần số cộng hưởng,băng thông,hiệu suất…
Hình 1. Cấu trúc đơn giản của anten vi dải
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
của anten.Trong điều kiện lý tưởng,hằng số điện môi nên có giá trị thấp (
ϵ
r
≤ 2.5
) để mở rộng
vùng viền (fringing field)_vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạ của anten vi dải.Tuy

nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sử dụng chất nền có hằng số điện
môi cao hơn (
ϵ
r
≤ 10
).
2.1.1.Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải.
Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thường khác và các
ứng dụng của nó trải khắp dải tần số băng rộng 100 MHz-100GHz.Một số ưu điểm nổi bật của
anten vi dải là :
 Trọng lượng nhẹ,thể tích nhỏ,cấu trúc phẳng và mỏng nên dễ chế tạo.
 Giá thành sản xuất thấp,thích hợp với sản xuất số lượng lớn.
 Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ tiếp điện thuật đơn giản.
 Dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp microwave.
 Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thời trên cùng
một cấu trúc anten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các anten microwave
thông thường :
 Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%).
 Độ lợi thấp (
6dB
).
 Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten.
 Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian.
 Muốn các mảng anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điện phức tạp.
 Xuất hiện bức xạ nhiễu từ đường tiếp điện và mối nối.
 Xuất hiện sóng mặt.
 Khả năng điều khiển công suất thấp (
100W
).

 Giới hạn hệ số tăng ích cực đại (
20dB
).
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Có nhiều phương pháp để tối thiểu hóa các hạn chế của aten vi dải.Ví dụ như ta có thể tăng
băng thông lên 60% bằng các kỹ thuật đặc biệt ; các hạn chế về độ lợi và công suất có thể được
khắc phục khi dùng các cấu trúc mảng anten …
2.1.2. Cơ chế bức xạ.
Bức xạ của anten vi dải có thể được xác định bởi phân bố trường giữa patch và mặt phẳng
đất.Nói cách khác bức xạ của anten vi dải có thể được biểu diễn bởi phân bố dòng bề mặt của
patch.Việc tính toán một cách chính xác phân bố dòng hay trường của patch rất phức tạp nên ta có
thể sử dụng các tham số đơn giản và các thuật toán xấp xỉ để khái quát mô hình làm việc cua anten
vi dải.

Giả sử anten
patch vi dải được nối với một nguồn microwave.Năng lượng trên patch sẽ tạo nên các điện tích
phân bố ở mặt trên và dưới của patch.Quá trình tương tự xảy ra ở mặt phẳng đất (hình 1.10).Anten
patch có độ dài khoảng nửa bước sóng nên các phân bố điện tích được hình thành như hình 1.10
.Phân bố điện tích này được kiểm soát bởi hai cơ chế tương tác giữa các điện tích :
 Lực đẩy giữa các điện tích giống nhau ở đáy patch có xu hướng làm đẩy các điện tích ở
đáy và cạnh lên bề mặt trên của patch.
 Lực hút giữa các điện tích trái dấu ở đáy của patch và mặt phẳng đất,lực hút này giữ các
điện tích tập trung ở đáy của patch.
Sự di chuyển của các điện tích dưới sự tương tác của các lực trên tạo nên các dòng chảy trên
bề mặt và đáy của patch (
⃗
J
b
;
⃗

J
t
) .Đa số các anten vi dải có h/W rất nhỏ nên lực hút giữa các
điện tích trái đấu chiếm ưu thế và hầu hết các điện tích tập trung dưới đáy patch.Chỉ một lượng
nhỏ điện tích từ các cạnh lên trên bề mặt patch nên dòng do nó tạo ra rất nhỏ.Do đó thành phần
tiếp tuyến từ trường được tạo ra cũng rất nhỏ,ta có thể xấp xỉ nó bằng 0.Hơn nữa độ dày h của chất
nền thường là rất nhỏ so với bước sóng nên trường biến đổi dọc theo h có thể xem là không đổi và
điện trường thì gần như trực giao với bề mặt patch.Như vậy patch có thể được mô hình hóa như là
một hốc cộng hưởng với tường điện ở bề mặt và đáy cùng với bốn tường từ ở xung quanh bốn
cạnh của patch.Bốn mép của hốc cộng hưởng sẽ biểu diễn bốn khe hẹp,ở đó quá trình bức xạ sẽ
diễn ra.
Hình 1. Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải.
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
a)


b)


a.Phân bố từ ở khe phát xạ ; b.
Phân bố từ ở khe không phát xạ.
Như ta thấy ở hình 1.12, bức xạ
của hai khe nằm dọc theo trục x
(dọc theo L) bằng không do hai phân bố dòng cùng độ lớn và ngược nhiều nhau.Ở hai khe dọc
theo trục y (dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bức
xạ.Như vậy bức xạ của patch có thể được biểu diễn bằng 2 khe dọc như hình 1.13.

2.2. Các loại anten vi dải thông
dụng.
Anten vi dải được đăc trưng bởi

nhiều tham số vật lý.Chúng có thể
được thiết kế với nhiều hình dạng và
hướng khác nhau.Một cách tổng quát ta có thể chia anten vi dải ra làm bốn loại cơ bản : anten
patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy.
2.2.1. Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna)
Một anten patch vi dải,có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng,nằm trên một mặt của chất
nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc
tính bức xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến được mô tả ở hình 1.14, chúng có đặc tính bức
xạ gần giống nhau mặc dù hình dạng khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình
Hình 1. Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100
Hình 1. Phân bố từ của patch ở mode TM 100
Hình 1. Anten vi dải với khe bức xạ tương đương
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
tròn được sử dụng nhiều nhất.Thông thường chúng có độ lợi từ 5 – 6 dB và có độ rông búp sóng
– 3dB ở
70
0
-
90
0
.
Ngoài ra,còn có những anten
patch vi dải dùng cho các ứng dụng đặc
biệt như trong hình 1.15.

2.2.2. Anten vi dải lưỡng cực
(Microstrop Dipole Antenna)
Về mặt hình học, anten vi dải
lưỡng cực chỉ khác anten patch hình
chữ nhật ở tỉ lệ của chiểu rộng và

chiều dài (hình 1.16).Chiều rộng
của một anten lưỡng cực thường nhỏ hơn 0.05
λ
0
.Thành phần bức xạ của anten vi dải lưỡng
cực và anten patch cũng tương tự nhau do chúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc.Tuy nhiên
điện trở bức xạ và băng thông của chúng lại rất khác nhau.Vi dải lưỡng cực không những có nhiều
ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ, phân cực tuyến tính…mà nó còn là lựa chọn thích hợp với
yêu cầu hoạt động ở tần số cao,khi độ dày của chất nền lớn.
2.2.3. Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna).
Anten khe mạch in có một khe trên mặt phẳng đất.Khe này có thể có nhiều hình dạng khác
nhau nhưng trên thực tế, chỉ một số loại khe được sử dụng như hình 1.17.
Giống như anten patch vi dải,anten khe có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải hay
sóng dẫn phẳng . Anten khe có thể bức xạ ở cả 2 chiều của khe.
Hình 1. Các dạng anten patch vi dải thường dùng
Hình 1. Các hình dạng khác của anten patch vi dải
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.



2.2.4.
Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna).
Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường truyền vi dải đủ dài
để hỗ trợ TM mode (hình 1.18).Đầu cuối của anten sóng chạy được phối ghép với một mạch phối
hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng phản xạ trong đường truyền.

Các đặc trưng của anten
patch vi dải, anten khe vi
dải ,anten vi dải lưỡng cực
được biểu diễn trong bảng

1.1.
Hình 1. Anten vi dải lưỡng cực
Hình 1. Anten vi dải khe mạch in
Hình 1. Anten sóng chạy
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Anten patch vi dải Anten vi dải khe hở Anten vi dải khe
mạch in
Cấu hình Mỏng Mỏng Mỏng
Chế tạo Rất dễ Dễ Dễ
Phân cực Tuyến tính,tròn Tuyến tính,tròn Tuyến tính
Hình dạng Bất kỳ hình dạng
nào
Đa số là hình chữ
nhật hoặc tròn
Hình chữ nhật và
tam giác
Bức xạ nhiễu Có tồn tại Có tồn tại Có tồn tại
Băng thông 2-50% 5-30%
30%
Bảng 1.1 Bảng so sánh các đặc trưng của các loại anten.
2.3. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải.
Có nhiều kỹ thuật được phát triển để tiếp điện cho anten vi dải, nổi bật như các kỹ thuật dùng
đường vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial feed), ghép gần (promixity coupled) và ghép
khe hở (aperture coupled).Việc lựa chọn kỹ thuật tiếp điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.Vấn đề
được quan tâm nhiều nhất khi tiếp điện là hiệu suất chuyển đồi công suất giữa cấu trúc phát xạ và
đường truyền, sự phối hợp trở kháng giữa chúng, trở kháng của các thành phần gây ra hiện tượng
sóng mặt và bức xạ nhiễu như các mối nối,chốt chuyển tiếp…Các bức xạ không mong muốn có
thể sẽ làm tăng mức thùy phụ và biên độ phân cực chéo trong thành phần bức xạ.Vì vậy,cần tính
toán kỹ thuật tiếp điện sao cho tối thiểu hóa các bức xạ nhiễu và ảnh hưởng của nó.
2.3.1. Đường truyền vi dải (Microstrip Feed).

Cấu trúc trường của đường truyền vi dải.
Sóng truyền trên đường vi dải là sóng có gần với dạng sóng TEM (quasi-TEM).Điều này có
nghĩa là trên đường truyền vi dải có vài vùng trong đó chỉ có thành phần điện trường hoặc từ
trường theo hướng truyền sóng.Hình 1.19 thể hiện giản đồ điện từ trường của một đường truyền vi
giải cơ bản.
Trên cấu trúc đường truyền vi giải,giản đồ quasi-TEM xuất hiện.Bởi vì bề mặt tiếp giáp giữa
chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí nên các đường sức điện từ không liên
tục tại mặt tiếp giáp này. Một phần năng lượng của điện trường được lưu trữ trong không khí và
một phần được lưu trữ trong chất nền điện môi.
Hằng số điện môi hiệu dụng đối với đường truyền có giá trị nằm ở khoảng giữa hằng số điện
môi của không khí và hằng số điện môi của chất nền.

Hình 1. Cấu trúc đường truyền vi dải
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì có thể xem patch
là phần mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo cả hai đồng thời.Việc ghép nối đường
truyền vi dải với patch có thể thực hiện như ở hình 1.20a hoặc 1.20b.


a)
b)
Phương pháp ghép cạnh như hình 1.20 a có nhược
điểm là trở kháng vào của patch tại cạnh bức xạ lớn
hơn nhiều lần so với trở kháng của đường truyền vi dải (50
Ω
). Để khắc phục hạn chế này ta
có thể ghép thêm một mạch phối hợp trở kháng giữa patch và đường truyền.Tuy nhiên nó làm tăng
bức xạ nhiễu,đồng thời phương pháp này cũng không thích hợp trong ứng dụng mảng anten
(không có đủ không gian vật lý).

Hình 1.20b biểu diễn một phương pháp ghép nối tiến bộ hơn, trong đó được truyền vi dải được
đặt vào trong patch một đoạn l.Tham số l được lựa chọn sao cho trở kháng vào của anten là 50Ω.
Tiếp điện bằng đường nối vi dải rất dễ thiết kế và chế tạo nhưng lại gây ra bức xạ nhiễu lớn và
là nguyên nhân tạo ra phân cực chéo.Vì vậy,kỹ thuật này thường được sử dụng trong các ứng dụng
không yêu cầu hiệu suất cao và cần có đường tiếp điện phẳng. Băng thông đạt được khoảng 3-5%.
2.3.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed).
Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất để truyền công suất
microwave.Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối với anten vi dải qua khe hở ở mặt
phẳng đất.Một anten thường sử dụng cáp đồng trục loại N như hình 1.21.Cáp đồng trục được ghép
vào mặt sau của mạch in,sau đó lõi của nó sẽ đi qua chất nền và được tiếp nối với patch.Vị trí tiếp
nối sẽ được tính toán,lựa chọn để có được phối hợp trở kháng tốt nhất.


Cũng giống
như tiếp điện
bằng đường
Hình 1. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Hình 1. Tiếp diện bằng cáp đồng trục
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục có ưu điểm là dễ thiết kế và chế tạo.Hơn nữa,thông qua
việc xác định tiếp điểm ta có thể kiểm soát được mức trở kháng vào,tạo thuận lợi cho việc phối
hợp trở kháng.Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có một số hạn chế nhất định :
 Trong ứng dụng mang anten,tiếp điện bằng cáp đồng trục yêu cầu nhiều tiếp điểm.Điều
này làm cho việc chế tạo gặp nhiêu khó khăn và anten có độ bền thấp (do cần nhiều mối
khoan và hàn).
 Đối với những ứng dụng yêu cầu băng thông cao, ta phải sử dụng anten có chất nền dày,
làm tăng độ dài của cáp đồng trục.Điều này đồng nghĩa với việc làm tăng bức xạ
nhiễu,công suất sóng mặt và tăng trở kháng trong đường dẫn.
2.3.3. Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed).
Kỹ thuật này sử dụng 2 lớp chất nền, patch được đặt ở lớp trên và đường truyền đặt ở lớp dưới

; lớp dưới cùng là mặt phẳng đất .Patch và đường truyền được nối với nhau nhờ tụ tự nhiên.(hình
1.22).Ưu điểm của phương pháp này là có thể hạn chế được nhiễu từ đường truyền và cung cấp
băng thông rộng hơn (khoảng 13%) bằng cách tăng độ dày chất nền của patch và giảm độ dày chất
nền của đường truyền.Ngoài ra,việc patch được đặt trên hai chất nền cũng là một nguyên nhân làm
tăng độ rộng của băng thông.Ta cũng có thể có được sự phối hợp trở kháng khi kiểm soát chiều dài
của đường truyền và tỉ lệ chiều rộng/chiều dài (W/L) của patch.

Hạn chế lớn nhất của
kỹ thuật ghép gần là khó
chế tạo vì hai lớp chất
nền đòi hỏi phải có độ
định tuyến chính xác.Mặc
khác,vì đường truyền
không còn nằm trên mặt hở nữa nên người thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn.
2.3.4. Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed).
Kỹ thuật ghép khe hở gồm hai lớp chất nền được chia tách bởi mặt phẳng đất, patch đặt ở lớp
trên được ghép nối điên từ đường truyền đặt ở lớp dưới qua một khe hở ở mật phẳng đất (hình
1.23).Khe hở này có thể có nhiều hình dạng,kích thước và được thiết kế sao cho cải thiện được độ
rộng của băng thông cũng như bức xạ của anten.
 Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng với bức xạ từ patch
ngược trở xuống đồng thời phải phù hợp với trở kháng.
Hình 1. Kỹ thuật ghép gần
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
 Chiều rông khe (Wa) : thông số này ảnh hưởng đến mức độ ghép nối,tuy nhiên ảnh
hưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thường bằng 1/10 chiều dài
patch.
Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tối ưu hóa đường truyền và các hàm bức xạ độc
lập với nhau.Ví dụ,chất nền của đường truyền phải mỏng và có hằng số điện môi cao trong khi
chất nền của patch phải dày và có hằng số điện môi thấp.Hơn nữa,nhờ có hiệu ứng màn che của
mặt phẳng đất, bức xạ từ đường truyền không thể gây can nhiễu bức xạ của patch, giúp ta dễ có

được sự phân cực thuần.
Hạn chế của kỹ thuật ghép gần là khó
chế tạo liên kết rãnh và các lớp chất nền
đều có yêu cầu định tuyến phải chính xác.
Đặc tính Đường truyền
vi dải
Cáp đồng trục Ghép gần Ghép khe hở
Bức xạ nhiễu từ
đường truyền
Nhiều Nhiều Ít Ít nhất
Độ bền Tốt Thấp (do các
mối khoan và
hàn)
Khá Khá
Chế tạo Dễ Yêu cầu khoan
và hàn
Yêu cầu định
tuyến
Yêu cầu định
tuyến
Khả năng có
phân cực thuần
Khó Khó Khó Tốt
Phối hợp trở
kháng
Dễ Dễ Dễ Dễ
Băng thông (sau
khi phối hợp trở
kháng)
2-5% 2-5% 13% 21%

Bảng 1.2 So sánh các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải.
Hình 1. Kỹ thuật ghép khe hở
Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa : Điện Tử - Viễn Thông.
Từ bảng 1.2 ta nhận thấy kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải bằng phương pháp ghép gần là tốt
nhất so với các kỹ thuật còn lại.
2.4. Mảng anten vi dải.
2.4.1. Giới thiệu.
Trong nhiều ứng dụng, một phần tử vi dải có thể thỏa mãn được các yêu cầu về kỹ thuật, đặc
tính.Tuy nhiên,đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông cao, khả năng điều khiển và quét búp
sóng…thì chúng ta phải kết hợp các phần tử bức xạ dưới dạng một mảng anten.Các phần tử trong
mảng anten có thể được phân bố tuyến tính, phẳng hay hình khối.Mảng anten tuyến tính có các
phần tử đặt theo một đường thẳng với khoảng cách xác định.Tương tự, các phần tử của mảng
anten phẳng được phân bố trong cùng một mặt phẳng và mảng anten khối có phần tử phân bố
trong không gian ba chiều.Trong thực tế,tùy từng ứng dụng cụ thể mà ta chọn kiểu phân bố cho
các phần tử bức xạ một cách hợp lý.
Một cách tổng quát,ta có thể xác định được các đặc trưng của mảng anten khi biết được phân
bố khẩu độ của nó.Vì vậy các phân bố pha và biên độ của tại mỗi phần tử bức xạ thường được xác
định trước và các kỹ thuật tiếp điện cũng cần được tính toán cẩn thận để đạt được phân bố cần
thiết.
Có hai kỹ thuật tiếp điện cho mảng anten là tiếp điện song song và tiếp điện nối tiếp. Đường
truyền trong kỹ thuật tiếp điện song song có một ngõ vào và nhiều ngõ ra liên tục với nhau.Các
ngõ ra này được ghép nối với từng phần tử bức xạ.Còn trong kỹ thuật tiếp điện,năng lượng được
truyền trên một đường truyền duy nhất.Đường truyền này ghép nối với các phần tử bức xạ,được
bố trí dọc theo một đường thẳng, bằng các kỹ thuật ghép nối như cáp đồng trục,ghép gần,ghép khe
hở…
Nhìn chung, mạch tiếp điện có nhiều hạn chế ảnh hưởng đến hiệu suất, độ lợi của mảng anten
như suy hao điện môi, chất dẫn;suy hao sóng mặt và bức xạ nhiễu từ các điểm không liên tục như
mối nối, điểm chuyển tiếp…
2.4.2. Đường dẫn song song.

Đường dẫn song song một chiều:
Cấu hình cơ bản của đường dẫn song song một chiều với hai cách phân chia công suất được
mô tả ở hình 1.24.

a.Cấu trúc đối xứng b. Cấu trúc bất đối
xứng.
Đối với phân bố khẩu độ đều,công
suất thường được chia đều đến các mối
nối.Tuy nhiên,ta cũng có thể chọn tỉ lệ chia
công suất khác nhau nếu muốn tạo ra
phân bố hình chuông trên mảng anten.Nếu khoảng cách giữa các phần tử bức xạ được thiết kế
giống nhau,vị trí búp sóng sẽ độc lập với tần số và ta cũng có được đường dẫn băng rộng. Ngoài
Hình 1. Cấu trúc song song