Nghiên cứu và thiết kế anten cho hệ thống truyền phát thông tin đo nhịp tim (ECG)

19 Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.5 làm việc ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.6, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường t

1

LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu chăm sóc và theo dõi sức khỏe cho con người từ lâu luôn được nhiều nhà khoa học và các kỹ sư đặc biệt chú ý Đặc biệt là theo dõi và ghi lại thông tin sức khỏe có vai trò vô cùng quan trọng trong việc phát hiện bệnh sớm Trong lĩnh vực này, việc đo đạc theo dõi và truyền phát tín hiệu ECG luôn đóng một vai trò vô cùng quan trọng và là bài toán cơ bản với mỗi kỹ sư khi thiết kế ra các thiết bị theo dõi sức khỏe Việc theo dõi tín hiệu ECG có vai trò quan trọng trong việc phát hiện bệnh tim Do vậy việc phát hiện bệnh sớm có vai trò quan trọng, giúp cứu sống nhiều người bệnh, ngoài

ra phát hiện bệnh sớm sẽ có tỷ lệ chữa trị thành công cao hơn

Anten là thiết bị để truyền đạt và thu nhận tín hiệu, nó là thành phần quan trọng đầu tiên mà mỗi thiết bị, truyền phát không dây và di động đều phải có Để có thể tích hợp trong các thiết bị ngày càng nhỏ, gọn, yêu cầu đặt ra là phải thu nhỏ kích thước anten mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như hiệu suất bức xạ

Từ đầu những năm 1970, sự ra đời và đi vào ứng dụng của anten vi dải đã giải quyết được phần nào vấn đề này Đặc điểm nổi bật của nó là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và đặc biệt đễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Ngày nay Anten vi dải được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ di động, mang WLAN, Bluetooth, anten thông minh và các hệ thống tích hợp siêu cao tần Với các thiết bị không dây ngày càng phổ biến và ứng dụng rộng dãi trên nhiều lĩnh vực nói trung và y tế nói riêng thì yêu cầu anten cho các thiết bị ngày càng quan trọng đặc biết trong các thiết bị truyền phát không dây nhỏ gọn chính vì nhu cầu đó tôi xin chọn đề tài nghiên cứu và thiết kế anten cho hệ thống truyền phát thông tin đo nhịp tim (ECG)

Mục đích của đề tài là nghiên cứu, thiết kế anten cho hệ thống truyền phát thông tin đo nhịp tim (ECG), Anten cho hiệu suất bức xạ cao phù hợp với các ứng dụng Bluetooth, Wifi, WLAN, WMAX Trên cơ sở đó, chế tạo và thử nghiệm anten để chứng minh rằng với kích thước nhỏ gọn, và các chỉ tiêu kỹ thuật đảm bảo, anten chế tạo ra hoàn toàn có thể tích hợp vào các thiết bị cầm tay hiện nay

2

Tôi xin được gửi lời cám ơn chân thành tới Tiến Sĩ Phạm Nguyễn Thanh Loan, Tiến Sĩ Nguyễn Đức Minh, cũng như trường đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung và toàn bộ thành viên phòng nghiên cứu BKIC – phòng 611 thư viện Tạ Quang Bửu nói riêng, đã nhiệt tình chỉ dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình tôi thực hiện nghiên cứu tại phòng Lab thực hiện Luận Văn của mình

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2016

Học viên

Nguyễn Văn Dương

3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Ngày nay, cùng với sự phát triển của các thiết bị không dây, các thiết bị ngày càng nhỏ gọn và đa dạng, việc nghiên cứu các thiết bị để phục vụ các nhu cầu chăm sóc sức khỏe đang là đề tài được rất nhiều nhà khoa học và kỹ sư đặc biệt lưu tâm Trong chủ đề đó, việc nghiên cứu ra các thiết bị với ứng dụng theo dõi tình trạng sức khỏe của con người luôn thu hút nhiều sự chú ý Trong việc theo dõi tình trạng sức khỏe thì theo dõi hoạt động của tim là một vấn đề rất quan trọng Vì vậy, việc theo dõi

và đo tín hiệu điện tim - ECG là một vấn đề cơ bản và cần thực hiện một cách chính xác nhất có thể Trong các hệ thống thông tin không dây, chất lượng tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống anten thu phát Đặc biệt, loại anten vi dải (microstrip antennas) với đặc điểm nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, độ lợi khá cao, được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại Đề tài này tôi tập trung nghiên cứu, thiết kế chế tạo anten cho hệ thống ECG đảm bảo các yêu cầu trên, bao gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống ECG và lý thuyết chung về anten; Chương 2: Phân tích, thiết kế, mô phỏng anten cho hệ thống truyền phát thông tin đo nhịp tim ECG; Chương 3: Xây dựng hệ thống và đo kiểm

ABSTRACT

In recent days, the development of wireless devices leads to more compact size and diverse devices, and so the research for the application of wireless devices in health care system is the special subject of a lot of scientists and engineers In those systems, the cardiac monitoring system is a very important system Therefore, the monitoring and measurement of ECG is a basic problem and need to be the most accurate way In wireless communication systems, signal quality greatly depends on antenna systems In particular, microstrip patch antenna (microstrip antenna) is lightweight, compact size, low cost of production, which is widely used in modern radio communication systems In this topic, I focused on the research and design antennas for ECG systems which full

4

fill all these requirements This topic include 3 chapters: Chapter 1: Overview of the ECG system and the general theory of antennas; Chapter 2: Analysis, design, simulation antennas for the ECG transmission systems; Chapter 3: Design the inspection and measurement systems

5

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG 10

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ECG VÀ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 12

1.1 Mô hình hệ thống ECG 12

1.2 Tín hiệu ECG 13

1.2.1 Khái niệm tín hiệu ECG 13

1.2.2 Đồ thị của tín hiệu ECG 13

1.2.3 Vị trí và tên các điện cực đo tín hiệu ECG 15

1.2.4 Nhiễu khi đo tín hiệu ECG 15

1.2.5 Đo tín hiệu ECG tiết kiệm năng lượng 16

1.3 Lý thuyết chung về anten 18

1.3.1 Giới thiệu 18

1.3.2 Các thông số cơ bản của anten 20

1.3.2.1 Đồ thị bức xạ 20

1.3.2.2 Thùy bức xạ mẫu 22

1.3.2.3 Đẳng hướng, định hướng 23

1.3.2.4 Mật độ công suất bức xạ 23

1.3.2.5 Cường độ bức xạ 26

1.3.2.6 Độ rộng búp sóng 27

1.3.2.7 Độ định hướng của anten 27

1.3.2.8 Phân cực của anten 29

1.3.2.9 Hiệu suất của anten 29

6

1.3.2.10 Hệ số tăng ích 31

1.3.2.11 Trở kháng đầu cuối của anten 32

1.3.2.12 Điện áp tỉ số sóng đứng 33

1.3.2.14 Độ dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng 34

1.3.3 Anten vi dải 35

1.3.3.1 Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải 35

1.3.3.2 Phương pháp phân tích anten mạch dải 41

1.3.3.3 Các tính chất của anten mạch dải 44

1.3.3.4 Ưu nhược điểm của anten mạch dải 47

1.4 Kết luận 48

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN PHÁT THÔNG TIN ĐO NHỊP TIM (ECG) 49

2.1 Yêu cầu thiết kế 49

2.2 Mô hình anten siêu vật liệu, mặt trở kháng cao 50

2.3 Đưa ra cấu trúc của anten sau khi tính toán lý thuyết và mô phỏng 53

2.4 Phân tích cấu trúc của anten tại tần số cộng hưởng 2.45GHz 56

2.4.1 Hiệu ứng viền 56

2.4.2 Phân tích cấu trúc của anten tại băng tần 2.45 Ghz 57

2.5 Kết quả mô phỏng 59

2.5.1 Mô hình anten được vẽ bằng phần mềm mô phỏng HFSS 59

2.5.2 Thiết lập các thông số đầu vào cho anten để mô phỏng 60

2.5.3 Hệ số phản xạ S11 60

2.5.4 Hệ số sóng đứng VSWR 61

2.5.5 Đồ thị bức xạ 61

2.5.6 Hiệu suất anten 62

2.5.7 Đồ thị Smith 63

2.6 Kết luận 63

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ ĐO KIỂM 65

3.1 Giới thiệu hệ thống đo nhịp tim ECG sử dụng cấu trúc anten sau thiết kế 65

3.2 Module Bluetooth Low Energy 66

7

3.3 Kiểm thử thiết bị 68

3.3.1 Kiểm thử chức năng của anten trong hệ thống 68

3.3.1.1 Anten sau khi chế tạo 68

3.3.1.2 Đo kiểm hệ số phản xạ S11 68

3.3.1.3 Hệ số sóng đứng SWR 70

3.3.1.4 Đồ thị Smith 71

3.3.1.5 Đo tăng ích ước lượng 72

3.3.2 Kiểm thử chức năng của hệ thống 73

3.4 Kết luận 75

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình hệ thống ECG 12

Hình 1.2: Đồ thị tín hiệu ECG[1] 13

Hình 1.3: Sơ đồ khối các bước trong ECG Front End Design[2] 17

Hình 1.4: Sơ đồ khối các bước trong ECG ADC Front End Design[2] 17

Hình 1.5: Anten như một thiết bị truyền sóng[3] 18

Hình 1.6: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.5.[3] 19

Hình 1.7: Phối hợp hệ thống để phân tích anten.[4] 21

Hình 1.8: Mô hinh thùy bức xạ của một anten định hướng[4] 22

Hình 1.9: Mẫu bức xạ E và H của một anten loa.[4] 23

Hình 1.10: Mô hình bức xạ 3D và 2D của một anten[4] 27

Hình 1.11: Tham chiếu đầu cuối và suy hao của một anten.[4] 30

Hình 1.12: Cấu trúc anten mạch dải[3] 36

Hình 1.13: Anten mạch dải dạng tấm[3] 36

Hình 1.14: Anten mạch dải lưỡng cực[3] 37

Hình 1.15: Anten khe mạch dải[3] 37

Hình 1.16: Anten mạch dải sóng chạy[3] 37

Hình 1.17: Anten mảng[3] 38

Hình 1.18: Tiếp điện bằng đường mạch dải[3] 38

Hình 1.19: Tiếp điện bằng cáp đồng trục[3] 39

Hình 1.20: Tiếp điện bằng cách ghép khe[3] 39

Hình 1.21: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận[3] 40

Hình 1.22: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải[3] 40

Hình 1.23: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng[3] 41

Hình 1.24: Mô hình bức xạ của anten mạch dải[3] 42

Hình 1.25: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng[3] 44

Hình 1.26: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng[3] 45

Hình 1.27: Đồ thị khoảng cách giữa tiếp điểm và cạnh[3] 45

Hình 1.28: Tiếp điện bằng một đường mạch dải[3] 46

Hình 1.29: Tiếp điện bằng hai đường mạch dải vào hai cạnh của anten[3] 47

Hình 2.1: Đường truyền CRLH 51

Hình 2.2: Mô hình anten siêu vật liệu đề xuất 52

Hình 2.3: Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc anten đề xuất 52

Hình 2.4: Lưu đồ thể hiện quy trình thiết kế anten bằng phần mềm HFSS 54

9

Hình 2.5: Cấu trúc anten sau khi thiết kế 55

Hình 2.6: Hiệu ứng viền của siêu vật liệu 56

Hình 2.7: Mô hình tính toán giá trị cuộn cảm: (a) Cuộn cảm L1, (b) Cuộn cảm L2 58

Hình 2.8: Cấu trúc anten mô phỏng vẽ bằng phần mềm HFSS 59

Hình 2.9: Thiết lập các thông số đầu vào cho quá trình mô phỏng 60

Hình 2.10: Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11 60

Hình 2.11: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng 61

Hình 2.12: Đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại tần số 2,45 GHz 61

Hình 2.13: Đồ thị bức xạ 3D 62

Hình 2.14: Hiệu suất anten 62

Hình 2.15: Đồ thị Smith 63

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 65

Hình 3.2: Mạch schematic của Module Bluetooth 66

Hình 3.3: Mạch lay out Module bluetooth 66

Hình 3.4: Module Bluetooth Low Energy gắn anten sau khi chế tạo 67

Hình 3.5: N51822 67

Hình 3.6: Anten CPW 67

Hình 3.7: Anten sau khi chế tạo 68

Hình 3.8: Kết quả đo kiểm S11 69

Hình 3.9: So sánh kết quả S11 69

Hình 3.10: Hệ số sóng đứng SWR 70

Hình 3.11: Đồ thị Smith đo kiểm 71

Hình 3.12: Đồ thị smith mô phỏng 71

Hình 3.13: Đo kiểm công suất thu phát của anten 72

Hình 3.14: Phổ công suất đầu ra anten phát 72

Hình 3.15: Phổ công suất đầu vào anten thu 73

Hình 3.16: Mạch sau khi chế tạo 73

Hình 3.17: Kết nối mạch với Smart phone 74

Hình 3.18: Dòng mã Hex hiển thị trên Smart phone khi chưa có tín biệu ECG 74 Hình 3.19: Dòng mã Hex hiển thị trên Smart khi có tín hiệu ECG 74

10

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các cực điện trên cơ thể 15

Bảng 1.2: Các khối trong thiết kế ECG Front End[2] 16

Bảng 2.1: Yêu cầu thiết kế anten 49

Bảng 2.2: Tham số kích thước tối ưu của cấu trúc anten đề xuất 56

Bảng 2.3: So sánh kết quả mô phỏng với yêu cầu của thiết kế 64

Bảng 3.1: Bảng so sánh kết quả yêu cầu thiết kế, mô phỏng và đo kiểm 75

11

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog Digital Convert

BLE Blutooth Low Energy

FNBW First Null Beam Width

GSM Global System for Mobile Communications

HFBW Half Power Beamwidth

INA Instrument Amplifier

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

RLD Right Leg Driver

1.1 Mô hình hệ thống ECG

Một mô hình đo tín hiệu ECG nói trung được chỉ ra dưới hình 1.1 Hệ thống thực hiện thu nhận tín hiệu ECG từ các điện cực trên cơ thể người, tín hiệu sau đó được khuếch đại, chuyển đổi tương tự sang số, đồng thời có kết nối Bluetooth Low Energy (Bluetooth 4.0) để truyền dữ liệu lên điện thoại

Hình 1.1: Mô hình hệ thống ECG

13

1.2 Tín hiệu ECG

1.2.1 Khái niệm tín hiệu ECG

ECG – Electrocardiogram hay còn được gọi là tín hiệu điện tâm đồ Điện tâm đồ

là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim [1] Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.v là một trong các tín hiệu ý sinh đã được nghiên cứu rộng rãi và được ứng dụng trong các phòng khám trên toàn thế giới

Ngày nay, người ta đã sáng chế ra nhiều thiết bị có khả năng ghi lại tín hiệu điện tim một cách chính xác, trong đó có những thiết bị chuyên dùng trong các phòng khám

và bệnh viện, một số thiết bị khác dùng trong theo dõi sức khỏe cho các vận động viên

1.2.2 Đồ thị của tín hiệu ECG

Thông thường, máy điện tim chuyên dụng theo dõi đủ 12 đạo trình còn các thiết

bị thông thường sẽ sử dụng 3 điện cực theo dõi được 3 đạo trình và 5 điện cực theo dõi được 7 đạo trình Dạng sóng của tín hiệu ECG cơ bản có hình dạng như sau:

Hình 1.2: Đồ thị tín hiệu ECG[1]

14

Tín hiệu ECG mô tả hoạt động điện của tim, được phân tích thành các thành phần đặc tính có tên là sóng P, Q, R, S, T và một đỉnh U Các sóng thành phần này tương ứng với các hoạt động của một chu kỳ tim Tổng thời gian cho một chu kỳ tín hiệu điện tim là khoảng 800ms, tương ứng với khoảng 75 nhịp/phút

 Sóng P: Sóng P thể hiện quá trình khử cực ở tâm nhĩ trái và phải, sóng P có dạng một đường cong điện thế dương phía trước phức QRS Sóng P kéo dài khoảng 0,06 đến 0,1 giây

 Đoạn PR: Đoạn PR là đoạn từ điểm bắt đầu sóng P đến điểm bắt đầu phức QRS

Nó bao gồm thời gian khử cực tâm nhĩ và dẫn đến nút AV thông qua hệ thống His-Purkinje Đoạn PR kéo dài khoảng 0,12 đến 0,20 giây

 Phức QRS: thể hiện quá trình khử cực tâm thất Đoạn này kéo dài khoãng 0,04 đến 0,1 giây

 Đoạn ST: Đoạn ST kể từ lúc kết thúc quá trình khử cực tâm thất đến trước khi quá trình tái phân cực bắt đầu Điểm bắt đầu đoạn này được gọi là “điểm J”, điểm kết thúc gọi là “điểm ST”

 Sóng T: Sóng T thể hiện quá trình tái phân cực tâm thất Vì tốc độ tái phân cực nhỏ chậm hơn khử cực nên sóng T rộng và có độ dốc thấp

 Sóng U: Có thể quan sát sóng U ở một số đạo trình, đặc biệt là các đạo trình quanh ngực V2-V4 Nguyên nhân gây sóng này còn chưa rõ ràng, có giả thiết cho rằng nó thể hiện sự trễ của quá trình tái phân cực của hệ thống His-Purkinje Sóng điện thể hiện được rất nhiều thông tin bệnh lý về tim mạch và đã được sử dụng trong chẩn đoán từ đầu thế kỷ 20

Tín hiệu ECG rất yếu và không rõ ràng, điện áp chênh lệch giữa 2 điện cực phía tay trái và phía tay phải chỉ cỡ 1 – 3mV và tần số của các tín hiệu ECG nằm trong khoảng từ 0.02Hz cho tới 150Hz Chất lượng của các sensor cảm nhận tín hiệu ECG tùy thuộc vào băng thông của nó Các sensor ECG trên thị trường giá rẻ có băng thông 30Hz, còn những sensor trong phòng cấp cứu có băng thông lên tới 1 kHz Với phổ tần

15

số đó và tín hiệu ECG rất yếu như vậy thì nó rất dễ bị can nhiễu

1.2.3 Vị trí và tên các điện cực đo tín hiệu ECG

Có 10 điểm cực điện được sử dụng cho 12 điểm đầu của ECG Các điểm cực điện thường có gel bôi trơn, đóng vào giữa các miếng dán tự dính Loại điểm cực điện thông dụng nhất hiện nay trong các ứng dụng ECG đó là loại silver chloride Dưới đây

là tên và vị trí đặt các điểm cực điện

Bảng 1.1: Các cực điện trên cơ thể

RA Đặt ở tay phải, tránh nơi có cơ dày

LA Đặt ở vị trí tương tự trên tay trái

RL Đặt ở chân phải, đặt trên bắp chân

LL Đặt ở vị trí tương tự trên chân trái V1 Đặt ở vị trí liên sườn thứ 4 (giữa xương sườn số 4 và

5) ngay bên phải của xương ức V2 Đặt ở vị trí liên sườn thứ 4 (giữa xương sườn số 4 và

5) ngay bên trái của xương ức

V4 Đặt ở vị trí sườn thứ 5 (giữa xương sườn thứ 5 và 6) V5 Đặt ngang với V4 nhưng dọc đường nách trái

1.2.4 Nhiễu khi đo tín hiệu ECG

Khi đo tín hiệu điện tim, có 5 loại nhiễu cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu này đó là: Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số 50Hz Nhiễu cơ: Do bệnh

1.2.5 Đo tín hiệu ECG tiết kiệm năng lượng

ECG là quá trình chuyển đổi phân cực/tái phân cực ion từ các hoạt động cơ tim thành tín hiệu điện có thể đo được và được xác định cũng như sử dụng để xác định tim

là bình thường hay không bình thường Bởi lý do này, các phép đo cần phải cực kỳ chính xác Thông qua việc nghiên cứu và tổng hợp các phương pháp đo khác nhau trên thế giới như LEAD I, LEAD II và LEAD III, thiết kế sau đây chỉ tập trung vào phương pháp đo LEAD I, đây là phương pháp đo nguồn tín hiệu điện phát ra ở bên tay trái (LA) và tay phải (RA) Các tín hiệu ECG khác biệt với các điểm đầu của chân phải (right, leg lead), nằm trong khoảng từ 100uVpp - 2mVpp, bao gồm các dao động lên tới 200Hz, tuy vậy tín hiệu nhỏ sẽ được lọc, đệm và khuếch đại để chúng ta có thể số hóa bởi ADC Thiết kế ECG front end bao gồm 6 khối sau đây

Bảng 1.2: Các khối trong thiết kế ECG Front End[2]

Design block Chức năng trong hệ thống

(1) Body Impedance Yêu cầu mô hình điện hóa để có thể phân tích tín

hiệu ECG một cách chính xác ở các bước sau

(2) Lọc nhiễu đầu vào Loại bỏ EMI/RFI, trở kháng bảo vệ thường là

Input Driver + ADC

Bước này tối ưu hóa năng lượng, nhưng nhiễu của

nó sẽ ảnh hưởng đến các chuỗi tín hiệu

(6) Post Gain Low Pass

Filter

Đảm bảo cho khối ADC là một nguồn nhiễu kiểm soát được, bằng cách lọc với một điện áp nhỏ nhất bằng 1/3 của VREF Driver + Input Driver + ADC

Hình 1.3: Sơ đồ khối các bước trong ECG Front End Design[2]

Hình 1.4: Sơ đồ khối các bước trong ECG ADC Front End Design[2]

Anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình 1.5 Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là Fide 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 Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và Fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây

ra méo dạng tín hiệu

Hình 1.5: Anten như một thiết bị truyền sóng[3]

19

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.5 làm việc ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.6, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng

Zc, và anten được thể hiện bởi tải ZA, Trong đó, trở kháng tải RL thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), hai thành phần mất mát này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng XA thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn có trường điện từ dao động

ở gần anten, giàng buộc với anten Phần công suất này không bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn Công suất này gọi là công suất vô công,

và được biểu thị thông qua điện kháng XA Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng được tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ Rr Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các mất mát do điện môi và mất mát do vật dẫn (tùy theo bản chất đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo sự mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 1.6: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.5.[3]

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa nhau tạo thành sóng đứng (standing ware) trên đường truyền dẫn Khi đó trên đường truyền xuất

20

hiện các nút và bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứng điển hình được thể hiện là đường gạch đứt trong hình 1.6 Nếu hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn Tổng mất mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền mất mát thấp, trong khi mất mát do anten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng bức xạ RL trong hình 1.6 Sóng đứng có thể được giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền Tức

là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây chính là anten Một phương trình tương tự như hình 1.6 được sử dụng để thể hiện hệ thống thu, ở đó nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả các phần khác của phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ Rr được sử dụng để thể hiện trong chế độ thu năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten

Cùng với sự thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thống không dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng, bức xạ mạnh theo một vài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten cũng cần phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa, anten cũng phải có các hình dạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể

1.3.2 Các thông số cơ bản của anten

Khi nghiên cứu và thiết kế anten cần hiểu và nắm rõ được các thông số cơ bản của anten Các thông số có thể có mối quan hệ vật lý với nhau, và cần được xác định đầy đủ khi tiến hành thiết kế và đo kiểm anten Trong chương này, sẽ đưa ra một cách khái quát định nghĩa của các tham số đó từ định nghĩa chuẩn của IEEE về anten

1.3.2.1 Đồ thị bức xạ

Đồ thị bức xạ được định nghĩa là một hàm toán học hay một đại diện đồ họa các

21

thuộc tính bức xạ của anten trong không gian theo các giá trị tọa độ Trong trường hợp

cụ thể hơn, mô hình bức xạ sẽ chỉ được xác định trong khu vực trường khu xa và được biểu diễn như một hàm của các tọa độ hướng Tính chất bức xạ bao gồm mật độ điện

bề mặt, thông lượng, cường độ bức xạ, cường độ trường, độ định hướng và phân cực sóng Thuộc tính bức xạ đáng quan tâm nhất là sự phân bố năng lượng trong không gian ba chiều, được tính theo năng lượng bức xạ trên diện tích một khối cầu cách tâm anten một khoảng R tại vị trí quan sát Hình 1.7 cho thấy sự biến đổi phân bố năng lượng theo không gian khi bán kính R thay đổi, được gọi là một mô hình biên độ Thông thường, mô hình bức xạ thường được so sánh với bức xạ của một anten vô hướng lấy làm chuẩn, và được biểu diễn trên thang giá trị tương đối dexiben (dB) Gía trị biểu diễn này có khả năng đánh giá được các bức xạ có giá trị rất nhỏ của các cực đại phụ chúng ta sẽ xem xét trong các phần sau Đối với một anten thì trường bức xạ (quy mô tuyến tính) thường đại diện cho giá trị của điện trường và từ trường theo một hàm của các tọa độ trong không gian biểu diễn về hướng của các vector, công suất bức

xạ ( theo quy mô tuyến tính) biểu diễn giá trị của điện trường hoặc từ trường theo độ lớn, công suất bức xạ ( tương đối) biểu diễn độ lớn của điện trường và từ trường theo đơn vị dexiben (dB)

Hình 1.7: Phối hợp hệ thống để phân tích anten.[4]

22

1.3.2.2 Thùy bức xạ mẫu

Các thành phần bức xạ theo các hướng khác nhau trong đồ thị bức xạ được gọi

là các thùy mẫu, và được phân chia theo độ lớn, góc hướng tính thành các thùy chính

và thùy phụ Một thùy bức xạ là một phần của mô hình bức xạ, nó được bao quanh bởi trường bức xạ có giá trị gần bằng 0 hoặc tương đối yếu Hình 1.8 biểu diễn hình dạng của một thùy chính trong mô hình bức xạ với tình chất đối xứng, có thể thấy, nó lớn hơn rất nhiều về giá trị so với các thùy bức xạ phụ lân cận

Hình 1.8: Mô hinh thùy bức xạ của một anten định hướng[4]

Một thùy lớn (còn gọi là thùy chính) được định nghĩa là thùy bức xạ chứa các hướng của bức xạ tối đa Trong hình 1.8 thùy chính có hướng  = 0 Trong một mô hình bức xạ của anten, có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Một thùy nhỏ là bất kỳ thùy mẫu nào ngoài thùy chính Trong hình 1.8 (a) và (b) tất cả các thùy ngoài thùy chính được phân loại làm thùy nhỏ Một thùy bên (thùy phụ) là thùy bức xạ có hướng trái ngược với hướng mong muốn, thông thường là thùy ngay cạnh thùy chính và

23

chiếm nửa bán cầu cùng với thùy chính Một thùy lại là thùy có hướng bức xạ ngược

180 deg so với hướng bức xạ chính Thùy nhỏ thường đại diện cho những bức xạ theo các hướng không mong muốn và nên được giảm thiểu Thùy bên là thùy lớn nhất trong các thùy nhỏ Mức độ lớn nhỏ giũa các thùy biểu diễn sự chênh lệch về tủy lệ công suất của anten theo các hướng khác nhau Tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ phụ thuộc thùy, thông thường đạt chuẩn - 20dB là tốt nhất cho các ứng dụng

1.3.2.3 Đẳng hướng, định hướng

Một bức xạ định hướng được hiểu là công suất bức xạ chia đều trên diện tích cầu cách tâm khảo sát một khoảng R

Hình 1.9: Mẫu bức xạ E và H của một anten loa.[4]

Mặc dù nó là lý tưởng và khó thực hiện được, tuy nhiên, trong thực tế, nó được dùng làm điều kiện chuẩn để đánh giá các loại anten khác Khái niệm anten định hướng dùng để chỉ các anten có bức xạ tập trung theo một hướng, công suất điện trường trên các hướng còn lại không đáng kể Thuật ngữ này dùng chỉ anten có hướng tính tối đa

và lớn hơn đáng kể so với một lưỡng cực nửa sóng Ví dụ anten có mẫu bức xạ hướng tính trong hình 1.9 và 1.10

1.3.2.4 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điên từ được sử dụng để truyền thông tin không dây trong môi trường hoặc theo một cấu trúc hướng tính Điều đó dẫn tới một yêu cầu đánh giá độ mạnh yếu của tín hiệu lan truyền, vector poiting cho phép đánh giá, và được định nghĩa

WE H (1.1)

24

Trong đó : W là giá trị về biên độ của vector poiting

H là vector cường độ từ trường

E là vector cường độ điện trường

Lưu ý rằng, các giá trị kí hiệu theo hệ la mã biểu diễn giá trị tức thời của đại lượng

Bằng việc đưa ra định nghĩa về vector poiting, ta có thể dễ dàng định nghĩa công suất bức xạ của một mô hình trên một diện tích S, nó bằng tổng các vector poitinh trên toàn bộ diện tích đang khảo sát

     (1.2) Đối với các ứng dụng đo kiểm, giá trị tức thời có ý nghĩa quan trong hơn giá trị trung bình, khi đó, mật độ công suất sẽ tương ứng với tổng của các vector poiting tại thời điểm khảo sát Trong đó, thời gian là biến trong nguyên hàm 𝑒𝑗𝑤𝑡, chúng ta có thể định nghĩa vector điện trường và từ trường như sau:

2

av x y  av  E H (1.6) Trong công thức trên, sở dĩ có hằng số ½ vì các giá trị E và H lần lượt là đỉnh của điện trường và từ trường, nó nên được bỏ qua giá trị RMS Khi quan sát công thức

25

1.6, sẽ có một câu hỏi đặt ra Nếu thành phần thực Re[E x H*] đặc trưng cho giá trị

trung bình của mật độ năng lượng, thì thành phần ảm đại diện cho điều gì? Tại thời

điểm này, người ta dự đoán một cách tự nhiên rằng, thành phần ảo đó biểu trưng cho

khả năng dụ trữ năng lượng dưới dạng điện từ trường Như vậy, mật độ năng lượng

bức xạ của một anten tại trường khu xa của nó, được xác định chủ yếu bằng giá trị thực

của vector poting tại điểm khảo sát và được gọi là mật độ bức xạ điện từ Dựa trên định

nghĩa 1.6 điện lượng bình phương( công suất bức xạ) của một anten có thể được viết

Mô hình bức xạ của một anten được trình bày trong mục 1.4.4.1 chỉ là một trong

những cách mô hính hóa trường bức xạ khu xa của anten theo một hàm toàn của tọa độ

không gian, Trong thực tế, người ta quan sát trường bức xạ xung quanh một diện tích

cầu nằm cách tâm anten một khoảng và thấy rằng nó không đạt được điều kiện chuẩn

hóa đó Tuy nhiên, hiệu suất anten đo được vấn rất phù hợp với mô hình toán học này

Không thể đo được mô hình 3 chiều nhưng chúng ta có thể xác định các mặt cắt của

nó Một bức xạ gọi là đằng hướng nếu công suất của nó bức xạ đều theo mọi hướng

Mặc dù trong thực tế không tốn tại yếu tố này, xong nó được dùng để đánh giá và so

sánh các loại anten khác Bởi vì vector poting của nó không phải là một hàm của các

góc phẳng Thêm vào đó, nó tồn tại thánh phần xuyên tâm Như vậy, tổng công suất do

nó phát ra được cho bởi

(1.8)

Và mật độ công suất

(1.9) Được phân bố đều trên mặt cầu bán kính r

26

1.3.2.5 Cường độ bức xạ

Cường độ bức xạ được hiểu là năng lượng bức xạ của một anten trên một đơn vị góc khối Cường độ bức xạ là một tham số trường xa, và có thể thu được bằng cách lấy bình phương mật độ bức xạ Trong toán học, nó được biểu diễn như sau:

(1.10)

U là cường độ bức xạ ( đơn vì là W/ góc khối)

𝑊𝑟𝑎𝑑 là mật độ công suất ( đơn vì W/𝑚2)

Cường độ bức xạ tại trường khu xa của một anten được đề cập trong hình 1.9

có thể được xác định bởi

(1.11a) Trong đó thành phần điện trường xuyên tâm (Er) giả sử có tồn tại ở trường khu

xa, nhưng khi đó giá trị của nó cũng sẽ rất nhỏ.Vì vậy, năng lượng bức xạ cũng chính

là thước đo cường độ bức xạ

(1.11b)

Trong đó dΩ là giá trị góc khối, dΩ = sin ϴ dϴ dϕ

Với một nguồn đẳng hướng U theo các góc ϴ và ϕ với năng lương là 𝑊𝑟𝑎𝑑

Công thức (2-11b) có thể được viết lại như sau:

(1.11c)

Và cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

(1.12)

xạ giảm 2 lần được gọi là góc mở nửa công suất” Điều này được thể hiện trong hình 1.10 Beamwidth có thể được định nghía bằng sự tách biệt của 2 búp sóng phụ đầu tiên (FNBW) hay khoảng mở giữa hai bức xạ không Độ rộng của búp (beamwidth) là một trong những thông số quan trọng và hay được sử dụng để đánh giá mức độ thùy phụ của anten

Hình 1.10: Mô hình bức xạ 3D và 2D của một anten[4]

1.3.2.7 Độ định hướng của anten

Độ định hướng của một anten là tỷ số của cường độ bức xạ theo một hướng nhất định với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường độ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ chia cho 4π Nếu hướng không quy định, hướng của cường

độ bức xạ tối đa ngụ ý “các định hướng của một nguồn không đẳng hướng tương đương với tỷ lệ của cường độ bức xạ của nó theo một hướng nhất định trên là một

28

nguồn đẳng hướng” Trong mô tả toán học, sử dụng 1.11, nó có thể được viết như sau:

(1.13) Nếu không xác định hướng tối đa, thì hướng cường độ bức xạ tối đa thể hiện như sau

(1.14)

D độ định hướng (không thứ nguyên)

𝐷𝑜 độ định hướng tối đa ( không thứ nguyên)

U mật độ công suất bức xạ (W/đơn vị góc khối)

𝑈𝑚𝑎𝑥 mật độ công suất bức xạ tối đa ( W/đơn vị góc khối)

𝑈𝑜 mật độ công suất bức xạ tối đa của nguồn đẳng hướng ( W/đơn vị góc khối)

𝑃𝑟𝑎𝑑 năng lượng bức xạ tổng cộng (W)

Đối với một nguồn đẳng hướng, các giá trị của 𝑈𝑚𝑎𝑥 , 𝑈𝑜, U trong công thức 16) đồng nhất với nhau Đối với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa độ định hướng của nó trong một hướng nhất định là “ một phần của cường

(1-độ bức xạ tương ứng với một phân cực cụ thể chia cho tổng cường (1-độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng” Với định nghĩa này, độ định hướng của một anten phân cực trực giao là tổng của các giá trị định hướng thành phần Đối với hệ thống bức xạ cầu phối hợp, tổng 𝐷𝑜, định hướng tối đa theo các thành phần hướng θ và φ trực giao nhau được viết như sau:

(1.15) Các thành phần D và D được cho bởi :

(1.16)

29

Trong đó

𝑈𝜙 là mật độ công suất bức xạ có được theo thành phần hướng

𝑈𝜙 là mật độ công suất bức xạ có được trên hướng thành phần

1.3.2.8 Phân cực của anten

Phân cực là sự định hướng của các véc tơ trường điện từ E tại một vài điểm trong không gian Nếu Véctơ E giữ nguyên sự định hướng của nó tại mỗi điểm trong không gian thì đó là sự phân cực tuyến tính; Còn nếu nó quay trong không gian, thì đó

là sự phân cực tròn hoặc eplip Trong hầu hết các trường hợp, sự phân cực của sóng được bức xạ là tuyến tính, theo chiều đứng hoặc ngang Ở một khoảng cách lớn thích hợp so với ăng-ten (Khoảng 10 lần bước sóng), sóng trường xa có thể được coi là sóng phẳng

Khái niệm về sự phân cực thường được áp dụng cho bản thân ăng-ten Trong trường hợp này, sự phân cực của ăng-ten là sự phân cực của sóng phẳng mà nó bức xạ Dựa trên nguyên lý thuận nghịch, điều này cũng đúng với các ăng-ten thu Ví dụ, nếu một ăng-ten thu được phân cực đứng, điều đó có nghĩa là một sóng đầu vào phân cực đứng sẽ cho đầu ra cực đại với ăng-ten đó Nếu sóng đầu vào được phân cực theo các góc khác, thì chỉ có thành phần đứng mới được phát hiện bởi ăng-ten Một cách lý tưởng thì một sóng đầu vào phân cực ngang sẽ hoàn toàn không thể được thu bởi một ăng-ten có phân cực đứng Sự phân cực đứng được dùng chủ yếu trong các ứng dụng LMR (Land Mobile Radio)

1.3.2.9 Hiệu suất của anten

Một trong những thông số quan trọng của anten đó là hiệu quả sử dụng hay nói cách khác là hiệu suất của anten Tổng hiệu năng 𝑒𝑜 của anten được xác đinh thông qua tải và thiết bị đầu cuối của một cấu trúc anten Những suy hao công suất trên đó có thể được đề cập như sau:

Suy hao do liên kết giữa đường truyền và anten

Suy hao nhiệt 𝐼2R

30

Hình 1.11: Tham chiếu đầu cuối và suy hao của một anten.[4]

Tổng quát, hiệu năng của một anten có thể được viết như sau:

(1.17) Trong đó :

𝑒𝑜 = tổng hiệu năng sử dụng (không thứ nguyên)

𝑒𝑟 = hệ số phản xạ (không hiệu quả) = (1-|𝛤2|) (không thứ nguyên)

𝑒𝑐= hiệu suất dẫn (không thứ nguyên)

𝑒𝑑= hiệu suất điện môi (không thứ nguyên)

𝛤 = hệ số phản xạ điện áp đầu cuối của anten

1.3.2.10 Hệ số tăng ích

Một trong những thông số quan trong và hữu ích trong quá trình đo kiểm anten

đó là hệ số tăng ích Hệ số tăng ích của anten có mối quan hệ mật thiết với hệ số định hướng Hệ số tăng ích của anten (theo hướng xác định) được định nghĩa là tỷ số cường

độ theo hướng đó so với cường độ bức xạ có thể thu được từ anten bức xạ đẳng hướng Cường độ bức xạ tương đương với năng lượng đầu vào của anten chia cho 4π

(1.19) Trong hầu hết các trường hợp, ta đưa ra khái niệm về hệ số tăng ích tương đối,

nó được định nghĩa là tăng ích của anten theo một hướng nhất định so với một anten tham chiếu khác với một hướng tham chiếu riêng Năng lượng đầu vào phải đồng đều trên cả hai anten Anten tham chiếu thường là các dipol, loa bức xạ hoặc một số loại anten khác có thể tính toán lý thuyết được Trong hầu hết các trường hợp, anten tham chiếu là một nguồn đẳng hướng không suy hao Vì vậy

(1.20) Khi hướng bức xạ không được đề cập đến, thì tăng ích năng lượng được hiểu theo hướng bức xạ lớn nhất

32

1.3.2.11 Trở kháng đầu cuối của anten

Trở kháng đầu cuối được định nghĩa là tỉ sổ giữa điện áp và dòng điện tại đầu kết nối của ăng-ten (điểm mà đường truyền dẫn được nối tới) Trở kháng đầu cuối được biểu diễn toán học dưới dạng:

Z = V/I (1.21)

Với Z là trở kháng, đơn vị là ohm, V là điện áp, đơn vị là vôn, và I là dòng điện, đơn vị ampe, tại đầu cuối của ăng-ten với một tần số cho trước Mỗi biến này có thể được biểu diễn dưới dạng một số phức, với phần thực và phần ảo Các số phức này cũng có thể biểu diễn bằng cường độ và góc pha – được gọi là ký hiệu phasor Phần thực của trở kháng được gọi là thành phần trở thuần, và thành phần ảo được gọi là thành phần kháng, Chúng thường được biểu diễn dưới dạng:

Z = R + Jx (1.22) Với R là thành phần trở thuần (thực), X là thành phần kháng (ảo)

Việc kết hợp năng lượng một cách hiệu quả nhất giữa một ăng-ten với một đường truyền dẫn khi trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn và trở kháng đầu cuối của ăng-ten như nhau và không có thành phần kháng Với trường hợp này, ăng-ten được coi là phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Để phối hợp trở kháng, các ăng-ten thường được thiết kế sao cho trở kháng đầu cuối của chúng là 50 ohm hoặc 75 ohm

để có thể phối hợp trở kháng với các cáp đồng trục phổ biến Với các ăng-ten khó có thể loại bỏ (giảm tới không) thành phần kháng Trong trường hợp này, một mạng phối hợp trở kháng thường được chế tạo như một phần của ăng-ten để thay đổi thành phần trở kháng của nó do đó có thể phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn tốt hơn Thành phần trở thuần R của trở kháng đầu cuối là tổng của hai thành phần và được biểu diễn bằng ohm

R = Rr + Rd (1.23) Điện trở bức xạ Rr là "Tải hiệu dụng" biểu diễn công suất bức xạ bởi một ăng-ten dưới dạng sóng điện từ, và điện trở tổn hao Rd là tải mà công suất bị mất Hiệu suất

33

của một ăng-ten là tỉ số giữa công suất bức xạ và tổng công suất được đưa tới ăngten

Nó được biểu diễn dưới dạng:

Efficiency = I2.Rr/I2.R = Rr/R (1.24) Công suất hao phí là do tổn hao trở thuần (dưới dạng nhiệt) trong các phần tử của ăng-ten, dòng dò qua các lớp điện môi và các ảnh hưởng tương tự Hơn nữa, cũng nên chú ý rằng, hiệu suất của một ăng-ten cũng có thể được biểu diễn dưới dạng tỉ số của tăng ích và tính định hướng (với một hướng cho trước)

Có 3 loại trở kháng có liên quan tới ăng-ten Một là trở kháng đầu cuối của ăngten, hai là trở kháng đặc trưng của một đường truyền dẫn, ba là trở kháng sóng

1.3.2.12 Điện áp tỉ số sóng đứng

Tỉ số sóng đứng (SWR), hay còn gọi là điện áp tỉ số sóng đứng (VSWR), không chính xác là một đặc trưng của ăng-ten, nhưng được dùng để mô tả khả năng triển khai một ăng-ten khi được gắn vào một đường truyền dẫn Nó cho ta biết trở kháng đầu cuối của ăng-ten được phối hợp tốt như thế nào với trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn Cụ thể, VSWR là tỉ số của điện áp RF tối đa trên điện áp RF tối thiểu dọc theo đường truyền dẫn

Nếu trở kháng của ăng-ten không có thành phần kháng (ảo) và thành phần trở thuần (thực) bằng với trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn, thì chúng được phối hợp trở kháng Nếu điều đó xảy ra, thì sẽ không có tín hiệu RF nào gửi tới ăngten bị phản xạ lại tại đầu cuối của nó Trên đường truyền dẫn sẽ không có sóng đứng và VSWR có giá trị là 1 Tuy nhiên, nếu ăng-ten và đường truyền dẫn không được phối hợp, thì một vài thành phần của tính hiệu RF gửi tới ăng-ten bị phản xạ lại dọc theo đường truyền dẫn Điều đó gây nên sóng đứng, và được đặc trưng bởi các điểm cực đại

và điểm cực tiểu tồn tại trên đường dây Trong trường hợp này VSWR có giá trị lớn hơn 1 VSWR có thể đo được dễ dàng với thiết bị được gọi là SWR meter Nó được cài vào đường truyền dẫn và cho ta giá trị của VSWR Tại giá trị VSWR bằng 1.5, khoảng 4% công suất tới đầu cuối ăng-ten bị phản xạ lại Tại giá trị 2.0, khoảng 11% công suất

là VSWR theo tần số sẽ được chỉ ra

1.3.2.13 Băng thông

Băng thông là một dải tần số, trong đó khả năng triển khai của ăng-ten là chấp nhận được Nói cách khác, một hoặc nhiều đặc trưng (như tăng ích, mẫu, trở kháng đầu cuối) có các giá trị chấp nhận được giữa giới hạn của băng thông Với hầu hết các ăng ten, tăng ích và mẫu không thay đổi nhiều với tần số như là trở kháng đầu cuối, vì vậy thường được dùng để mổ tả băng thông của một ăng-ten

VSWR là giá trị đo sự ảnh hưởng của việc không phối hợp giữa trở kháng đầu cuối của ăng-ten và trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn Vì thế trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn khó thay đổi với tần số, VSWR là một cách tốt để mô tả ảnh hưởng của trở kháng đầu cuối và băng thông của ăng-ten Lưỡng cực nửa sóng, và các ăng-ten tương tự có băng thông hẹp Các ăng-ten khác như log-periodic được thiết

kế có băng rộng

1.3.2.14 Độ dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng

Độ dài hiệu dụng và diện tích hiệu dụng (còn được gọi là góc mở hiệu dụng) là một cách khác để biểu diễn tăng ích của ăng-ten Các đặc trưng này tiện dụng và ý nghĩa nhất khi ăng-ten được dùng để thu Đương nhiên là theo nguyên lý thuận nghịch, các đặc trưng là như nhau nếu ăng-ten được dùng cho việc phát Chiều dài hiệu dụng định nghĩa khả năng tạo ra một điện áp tại đầu cuối của một ăng-ten từ trường điện từ tới Nó được định nghĩa là:

Le = V/E (1.25)

35

Với Le có đơn vị là mét, V là điện áp hở mạch đơn vị là von, và E là cường độ trường đơn vị là vol/met Định nghĩa này giả sử rằng sự phân cực của trường tới và ăng-ten là như nhau Chiều dài hiệu dụng còn có thể được tính từ tăng ích và điện trở bức xạ

Diện tích hiệu dụng, hoặc góc mở hiệu dụng được dùng phổ biến hơn chiều dài hiệu dụng Nó được định nghĩa như sau:

Ae = Pr/P (1.26) Với Pr là công suất tại đầu cuối của ăng-ten, đơn vị là watts, và P là mật độ công suất của sóng tới, đơn vị là wat trên mét vuông

1.3.3 Anten vi dải

Lý thuyết về anten mạch dải đã ra đời từ những năm 1950 xong con người mới thực sự nghiên cứu về nó từ những năm 1970 Đến nay nó được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị di động như: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại, máy tính,…), máy bay, tên lửa, vệ tinh,… Với các ưu điểm là kích thước nhỏ gọn (có thể đạt được kích thước cỡ bước sóng ánh sáng micromet), độ bền cao và giá thành rẻ,… Ngoài ra chúng khá dễ dàng để thay đổi các đặc trưng như tần số cộng hưởng, tính phân cực, đặc tuyến, trở kháng Nhược điểm của anten mạch dải là: hiệu suất thấp, năng lượng bức xạ thấp, dải thông hẹp và tính phân cực cao Dải tần làm việc của anten mạch dải cỡ GHz

Ở tần số thấp hơn thì kích thước và tính định hướng của anten rất lớn

1.3.3.1 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 môi Phiến kim loại có kích thước trong khoảng λ0/3 đến λ0/2, độ dày h (cỡ khoảng 0.003λ0 – 0.05λ0), mặt đối diện thường được tiếp đất, hằng số điện môi của đế

là εr thường trong khoảng 2.2 đến 12

36

Hình 1.12: Cấu trúc anten mạch dải[3]

Thông thường với đế điện môi dày và hằng số điện môi nhỏ sẽ làm cho tổn hao năng lượng ít và dải thông rộng hơn nhưng ngược lại làm cho kích thước 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 

b Phân loại anten mạch dải

Anten mạch dải dạng tấm (microstrip patch antenna) gồm một tấm dẫn điện gắn trên một đế điện môi (hình 1.13) Tấm dẫn điện có thể là hình tròn, hình elip, hình vuông, hình chữ nhật, hình tam giác,… Thông thường người ta dùng hình chữ nhật và hình tròn

Hình 1.13: Anten mạch dải dạng tấm[3]

37

Anten mạch dải lưỡng cực (microstrip dipole antenna) gồm hai tấm dẫn điện gắn ở hai phía đối xứng của tấm điện môi (hình 1.14)

Hình 1.14: Anten mạch dải lưỡng cực[3]

Anten khe mạch dải (printed slot antenna): gồm các khe hẹp trên mặt phẳng của

đế điện môi, khe này có thể có hình dạng bất kì Đường kết nối với nguồn được khắc ở mặt sau và kí hiệu bằng đường nét đứt

Hình 1.15: Anten khe mạch dải[3]

Anten mạch dải sóng chạy (microstrip travelling – wave antenna): Gồm các đoạn dãy xích hay dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt đế điện môi

Hình 1.16: Anten mạch dải sóng chạy[3]

38

Anten mạch dải dạng mảng có cấu trúc như hình 1.17, trong cấu trúc này bao gồm rất nhiều phần tử anten được ghép nối với nhau

Hình 1.17: Anten mảng[3]

c Các phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải

Tiếp điện bằng đường mạch dải: Là phương pháp dùng một đường mạch dẫn có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng anten

Hình 1.18: Tiếp điện bằng đường mạch dải[3]

Với phương 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

39

Hình 1.19: Tiếp điện bằng cáp đồng trục[3]

Đây là phương pháp thông dụng nhất có ưu 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 nhược điểm là khó đạt chuẩn và dải thông hẹp

Tiếp điện bằng cách ghép khe: Với cách này thì patch và đường tiếp điện mạch dải được phân cách bởi mặt phẳng đất Tấm patch được liên kết với đường tiếp điện thông qua một khe xuyên qua mặt phẳng đất

Hình 1.20: Tiếp điện bằng cách ghép khe[3]

Ưu điểm của cách kết nối này là: Khe ghép được đặt ngay dưới trung tâm của tấm patch giúp giảm bức xạ phân cực ngang, dễ dàng hơn trong việc thiết kế, bức xạ nhiễu thấp

Nhược điểm: Khó chế tạo do khó tạo được chất điện môi nhiều lớp, bề dày của anten tăng lên, băng thông hẹp