Thiết kế, mô phỏng và phân tích Anten vi dải có cấu trúc khắc khe chữ L ứng dụng WLAN và WiMAX

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến điện nào, có vai trò bức xạ thu hoặc nhận sóng điện từ, từ không gian tự do bên ngoài. Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau sẽ có các yêu cầu các thông số kỹ thuật khác nhau. Truyền thông không dây đã 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. Anten vi dải được sử dụng rộng rãi bởi vì các tính năng hấp dẫn như cấu hình thấp, trọng lượng thấp, chi phí thấp, sử dụng công nghệ mạch in hiện đại và cũng tương thích với thiết kế MMIC. Từ đó em chọn đề tài tốt nghiệp là “Thiết kế, mô phỏng và phân tích Anten vi dải có cấu trúc khắc khe chữ L ứng dụng WLAN và WiMAX” với vật liệu điện môi lossy FR 4 được sử dụng trong thiết kế anten.

ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên:

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Mục tiêu và phương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 57

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung

cấp lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện

trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề,

được đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong

đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có

mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham

khảo và có trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập

luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

i

Kết quả nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt

giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng

khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký

bằng phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh

viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc

tế khác về chuyên ngành

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh

thần làm việc của sinh viên)

Nghệ An, ngày…tháng…năm 2018

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá: Th.S Phan Duy Tùng

ii

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Thị Tâm

MSSV:135D5202070098

Tên đồ án: Thiết kế, mô phỏng Anten vi dải cấu trúc khắc khe chữ L ứng dụng trong

WLAN và WiMAX

Giảng viên đánh giá:

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng

như phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Mục tiêu và phương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 57

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có)

giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời

cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực

hiện trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề,

được đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong

đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có

mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham

khảo và có trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập

luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Kết quả nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt 5

iii

giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải

thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có

đăng ký bằng phát minh sáng chế

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh

viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3

trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và

quốc tế khác về chuyên ngành

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Nghệ An, ngày…tháng 05 năm 2018

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

iv

LỜI NÓI ĐẦU

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống thông tin vôtuyến điện nào, có vai trò bức xạ thu hoặc nhận sóng điện từ, từ không gian tự do bênngoài Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau sẽ có các yêu cầu các thông số

kỹ thuật khác nhau Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những nămgần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn Để thỏamãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũngphải được thu nhỏ kích thước Anten vi dải được sử dụng rộng rãi bởi vì các tính nănghấp dẫn như cấu hình thấp, trọng lượng thấp, chi phí thấp, sử dụng công nghệ mạch inhiện đại và cũng tương thích với thiết kế MMIC Từ đó em chọn đề tài tốt nghiệp là

“Thiết kế, mô phỏng và phân tích Anten vi dải có cấu trúc khắc khe chữ L ứng dụng WLAN và WiMAX” với vật liệu điện môi lossy FR- 4 được sử dụng trong thiết

kế anten

Trong quá trình thực hiện đề tài em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy

cô trong Viện Kỹ Thuật và Công nghệ đã tận tâm, nhiệt tình chỉ dạy cho em nhữngkiến thức chuyên môn để em có thể định hướng và hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệpnày Đặc biệt là giảng viên Th.S Phan Duy Tùng giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệmhướng dẫn đồ án tốt nghiệp đã hướng dẫn nhiệt tình giúp em hoàn thành tốt đồ án này

Do hạn chế về kiến thức, đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhậnđược ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để góp phần hoàn thiện đồ án Em xinchân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án đi vào tìm hiểu lý thuyết về anten đặc biệt là anten vi dải Trên cơ sở đónghiên cứu, thiết kế, chế tạo một anten vi dải có cấu trúc khắc khe chữ L có khả nănghoạt động tại nhiều dải tần Anten được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi εr =4.4, độ dày là 1.66 mm và được thiết kế tại các tần số 2.4 GHz, 3.9 GHz, 4.9 GHz,6.25 GHz, 7.1 GHz, 8.0 GHz sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS Các thống số đạtđược là độ lợi, hệ số sóng đứng SWR, tần số suy hao và hiệu quả của anten thông quaphần mềm mô phỏng HFSS đạt được khả quan; qua đó nhằm làm rõ những đặc trưng

cơ bản của anten vi dải Với thiết kế đơn giản, giá thành, trọng lượng thấp…anten nàyđược ứng dụng trong phần lớn hệ thống không dây WLAN và WiMAX

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

1 LÝ THUYẾT ANTEN 1

1.1 Tổng quan 1

1.1.1 Định nghĩa cơ bản về anten 1

1.1.2 Lịch sử phát triển của anten 2

1.2 Các thông số cơ bản của anten 2

1.2.1 Sự bức xạ của sóng điện từ bởi anten 3

1.2.2 Trở kháng vào của anten 3

1.2.3 Hiệu suất của anten 4

1.2.4 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích 5

1.2.5 Đồ thị phương hướng và giản đồ bức xạ anten 6

1.2.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 10

1.2.7 Tính phân cực của anten 11

1.2.8 Dải tần của anten 12

1.3 Kết luận chương 14

CHƯƠNG 2 ANTEN VI DẢI 15

2.1 Giới thiệu anten vi dải 15

2.2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải 15

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải 16

2.3.1 Cấu tạo 16

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 17

2.4 Dải tần của anten vi dải 20

2.5 Các loại anten vi dải thông dụng 20

2.5.1 Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) 20

2.5.2 Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dipole Antenna) 21

2.5.3 Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna) 22

2.5.4 Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna) 23

2.5.5 Anten patch hình chữ nhật 23

2.6 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 25

2.6.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 25

2.6.2 Cấp nguồn bằng cáp đồng trục 27

2.6.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe hở Apertur - coupled 27

2.6.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled 28

2.7 Kết luận chương 30

CHƯƠNG 3 31

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ CẤU TRÚC KHẮC KHE CHỮ L ỨNG DỤNG WLAN, WiMAX 31

3.1 Yêu cầu 31

3.2 Thiết kế và mô phỏng 31

3.2.1 Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở 1 tần số 31

3.2.2 Thiết kế anten vi dải có khắc khe chữ L ứng dụng trong WLAN và WiMAX 32

3.3 Kết quả mô phỏng 34

3.3.1 Hệ số tổn hao ngược 34

3.3.3 Đồ thị Smith Chart 37

3.3.4 Độ lợi 38

3.3.5 Đồ thị bức xạ của anten 40

3.4 Kết luận chương 41

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Anten, thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ 1

Hình 1.2 Các trường bức xạ ở khu xa 3

Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc 7

Hình 1.4 Đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực 7

Hình 1.5 Hệ tọa độ phân tích của anten 8

Hình 1.6 Bức xạ đẳng hướng 9

Hình 1.7 Bức xạ hướng tính 9

Hình 1.8 Các búp sóng trong không gian 3 chiều 10

Hình 1.9 Phân cực của anten 11

Hình 2.1 Cấu trúc anten mạch dải 17

Hình 2.2 Trường bức xạ điện trường E và từ trường H của anten mạch dải 17

Hình 2.3 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải 18

Hình 2.4 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100 18

Hình 2.5 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 19

Hình 2.6 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 19

Hình 2.7 Các dạng anten patch vi dải thường dùng 21

Hình 2.8 Các hình dạng khác của anten patch vi dải 21

Hình 2.9 Anten vi dải lưỡng cực 22

Hình 2.10 Anten vi dải khe mạch in 23

Hình 2.11 Anten sóng chạy 23

Hình 2.12 Anten patch hình chữ nhật phân bố trường ở mode cơ bản 24

Hình 2.13 Anten patch hình chữ nhật phân bố dòng (I) trên bề mặt patch 24

Hình 2.14 Anten patch hình chữ nhật phân bố chiều dài patch 25

Hình 2.15 Cấu trúc đường truyền vi dải 26

Hình 2.16 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 26

Hình 2.17 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 27

Hình 2.18 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled 28

Hình 2.19 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled 29

Hình 3.1: Mô phỏng anten hoạt động tại tần số 2.4 GHz 32

Hình 3.2 Hình dạng và thông số anten: a) Mặt trên; b) Mặt dưới; c) Mặt cắt 33

Hình 3.3 Mô phỏng anten khắc khe chữ L 34

Hình 3.4 Tham số S11 tại các tần số 35

a) 2.4 GHz b) 3.9GHz c) 4.9GHz d) 6.25 GHz e) 7.1 GHz f) 8.0 GHz 35

Hình 3.5 Tỉ số sóng đứng điện áp tại các tần số 37

Hình 3.6 Đồ thị Smith tại các tần số cộng hưởng 38

Hình 3.7 Độ lợi tại tần số cộng hưởng 39

a) 2.4 GHz b) 3.9GHz c) 4.9GHz d) 6.25 GHz e) 7.1 GHz f) 8.0 GHz 39

Hình 3.8 Đồ thị bức xạ tại các tần số cộng hưởng 40

a) 2.4 GHz b) 3.9GHz c) 4.9GHz d) 6.25 GHz e) 7.1 GHz f) 8.0 GH 40

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các dải tần số 13

Bảng 2.1 So sánh các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 29

Bảng 3.1 Thông số kích thước anten 34

Bảng 3.2 Hệ số suy hao anten 36

Bảng 3.3 Độ lợi của anten 39

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WiMAX Worldwide Interoperability Of

Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu với truy cập vi ba

HFSS Hight Frequency Structure Simulate Mô phỏng cấu trúc tần số

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GMS Global System For Mobiles Hệ thống toàn cầu cho di độngCDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia mã

MIMO Mitiple- Input, Mitiple- Output Đa đầu vào - đa dầu ra

EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng

tương đương

UHF Ultra High Frequency Tần số cực kì cao

SHF Super High Frequency Tần số siêu cao

EHF Extremly High Frequency Tần số rất lớn

ADS Advance Design System Hệ thống thiết kế cao cấp

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Tổng quan

1.1.1 Định nghĩa cơ bản về anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận năng lượng điện từ, là thiết bị quantrọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thông không dây Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín hiệu RF (Radio Frequency: tần số vôtuyến) và sự bức xạ, lan truyền của sóng điện từ trong không gian Nó là thiết bịchuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành sóng điện từ lantruyền trong không gian tự do và ngược lại

Hình 1.1 Anten, thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từTrong một hệ thống vô tuyến đơn giản bao gồm: máy phát, máy thu, anten phát,anten thu Thông thường, giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và antenthu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn nănglượng điện từ, gọi là fide Anten và fide đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạchđiện tử và không gian tự do, fide là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử Ngõvào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn anten phải nhận năng lượng

từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian Trong hệ thống này, máy phát cónhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tớianten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóngđiện 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 nhậnđược một phần năng lượng điện).

Yêu cầu của thiết bị anten- feeder là phải thực hiện việc truyền dẫn và biến đổi nănglượng điện tử với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo tín hiệu Anten là thiết bịdùng để truyền năng luợng điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần phươngtiện truyền dẫn tập trung Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu đối với anten cònphải đáp ứng về độ lợi và phương hướng bức xạ

1.1.2 Lịch sử phát triển của anten

- 1886 Heinrich Hertz (Đức) đã kiểm tra sự tồn tại của sóng điện từ Ông đã phát

triển các dipole đơn giản, các anten vòng và các anten có thanh phản xạ đơn giản

- 1897 Alexader Popov (Nga) Đã thiết lập tuyến anten thật đầu tiên với khoảng cách

3 dặm

- 1901 Marconi đã thực hiện thông tin vô tuyến xuyên đại tây dương (tần số 60KHz)

- 1916 lần đầu tiên tiếng nói được truyền đi bằng vô tuyến (điều biên)

- 1920 các hệ thống có thể đạt được đến tần số 1 MHz, do đó kích thước antenđược giảm nhỏ

- 1930 các nguồn phát dao động có thể đạt đến tần số hàng GHz (Klistron,magnetron)

- 1934 hệ thống vô tuyến thương mại đầu tiên giữa Pháp và Anh được thiết lập (1,8GHz)

- 1940 - 1945 nhằm phục vụ thế chiến thứ 2 nhiều phát minh trong việc phát triểnRada, các anten phản xạ, các anten thấu kính

- 1945 - nay: kỷ nguyên của anten hiện đại, với nhiều công nghệ và kỹ thuật mớiđáp ứng cho Mạng lưới thông tin vô tuyến có tính toàn cầu và tốc độ cao, băng thôngrộng: (GPS, Wireless, GSM, CDMA, UWB, WiMAX, MIMO )

1.2 Các thông số cơ bản của anten

Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây:

- Sự bức xạ của sóng điện từ bởi anten

- Trở kháng vào

- Hiệu suất bức xạ

- Hệ số định hướng và độ tăng ích

- Đồ thị phương hướng và giản đồ bức xạ

- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

- Tính phân cực

- Dải tần của anten

1.2.1 Sự bức xạ của sóng điện từ bởi anten

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 biếnthiên sinh ra trường điện biến thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòngđiện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên Quá trình này lặp đi lặp lạitạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau là trườngđiện (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

Hình 1.2 Các trường bức xạ ở khu xa

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten, nó sẽ hình thành hai trường Mộttrường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này bị ràng buộc với anten, cócường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten Trường kia là trườngbức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình 1.3) Tạikhu xa, chỉ có bức xạ được duy trì

Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trườngđiện 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 sóngtruyền đi, năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng dần theo khoảngcách Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảngcách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng

1.2.2 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần trở kháng Trở khángvào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nóhay tỉ số điện áp UA trên dòng điên IA hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tươngứng 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 củaanten:

Trong đó: Z A là trở kháng đầu vào của anten ()

R A là điện trở của anten tại các đầu vào ()

X A là kháng trở đầu vào của anten ()

Nói chung thành phần điện trở trên bao gồm 2 thành phần:

Trong đó: 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 nhất định vì vậy để có thểtruyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở khánggiữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten Hơn nữa, trở kháng vào của anten còn phụthuộc vào nhiều yếu tố kháng như: hình dạng anten, kỹ thuật tiếp điện, các yếu tố xungquanh, đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) vàtrong một số trường họp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dâytruyền song Do sự phức tạp của nó, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế đượcnghiên cứu, phân tích tỉ mỉ Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằngthực nghiệm

1.2.3 Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quantrọng đặc trưng của nó là hiệu suất, hiệu suất của anten ecd chính là tỉ số giữa công suấtbức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten PA.

b

cd x A

P e P

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten Đối với anten

có tổn hao thì Pbx<PA do đó ecd <1 Gọi công suất tổn hao là Pth

Như vậy ta thấy hiệu suất của anten vi dải phụ thuộc vào giá trị điện trở bức xạ Rbx

và Rth

1.2.4 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích

Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người tađưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếchđại hoặc độ lợi) Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạcủa anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc antenchuẩn)

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất= 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi

hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tửđối xứng nửa bước sóng

Hệ số định hướng (D) của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ của anten theo mộthướng cho trước so với cường bức xạ trung bình theo tất cả các hướng Nếu hướngkhông 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 độbức xạ của anten theo hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳnghướng (U0)

Trong đó: D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên);

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

U0 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

Trong đó: θ1, θ2 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳngchính

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 củaanten 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 làanten vô hướng) theo hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

G (θ , φ)= Mật độ công suất theoh ư ớng(θ , φ)

Mật độ công suất của antenchuẩn (1.11)

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 hợpmáy thu nhạy cảm với sự phân cực) Trong thực tế, tham số này đã đưa ra tham số hiệusuất của anten ηcho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành côngsuất bức xạ như thế nào

Ta có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng Nếu ta biết hệ số địnhhướng của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được hệ số tăng ích Hệ số tăngích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệusuất của anten

1.2.5 Đồ thị phương hướng và giản đồ bức xạ anten

Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặcthu là tốt nhất và cũng có thế ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức

xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tínhcủa anten Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích

ở trên còn được đặc trưng bởỉ đồ thị phương hướng của anten

Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tươngđối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cáchbằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc (hình 1.3) hoặc toạ độ cực (hình 1.4)tương ứng với các phương của điểm xem xét

Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ gócDạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậyđược gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phươnghướng của các anten khác nhau Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten códang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phang ngang góc(μ) và mặt phẳng đứng góc (θ).

Hình 1.4 Đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cựcCác 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 hiệnđược 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 trụctọa độ không gian Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của cácđại lượng như mật độ công suất bức xạ, cường độ bức xạ, hệ số định hướng…

Hình 1.5 Hệ tọa độ phân tích của anten

Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều (hình 1.5) tuy nhiên đối với nhiều mụcđích thực tế, đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặctính 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 vàothành công suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng Anten đẳng hướng thườngđược dùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của antentrong thực tế

Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo mộtvài hướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại

Hình 1.6 Bức xạ đẳng hướng

Hình 1.7 Bức xạ hướng tínhHình 1.6 và 1.7 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình thể hiện bức xạ hướng tính củaanten Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướngbức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từ trường vàhướng bức xạ cực đại Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao cho mặtphẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x, y hoặc z) nhưhình 1.7

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 thểđược phân thành các loại sau: thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình minhhọa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ, như ta thấy một số thùy cócường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác

Hình 1.8 Các búp sóng trong không gian 3 chiềuThùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại, trong hình 1.8 thùy chính có hướng

θ = 0 Trên thực tế, có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Thùy phụ là bất kỳ thùynào ngoài thùy chính Thông thường, thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính vàđịnh xứ ở bán cầu theo hướng của thùy chính Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo mộtgóc xấp xỉ 1800 so với thùy chính và thường định xứ ở bán cầu ngược với thùy chính

1.2.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyến ví dụ như thông tin vệ tinh, công suấtbức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳnghướng tương đương Ký hiệu là EIRP

GT = I Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn Cường

độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bức xạ từanten trên một đơn vị góc khối Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và đượcxác định bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách:

Trong đó: U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

W rad là mật độ công suất bức xạ (W/ m2)

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

P rad=∯U d=∫

0

2 πU

∫0

πU

d=sinθ dφdθ là đơn vị góc khối (steradian)

1.2.7 Tính phân cực của anten

Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực của sóng đượctruyền đi bởi anten

Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vectortrường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng Một phân cực của anten có thểđược phân loại như thẳng, tròn hay elip được thể hiện trên hình 1.9

Hình 1.9 Phân cực của anten

a Phân cực thẳng; b Phân cực tròn; c Phân cực ellipĐầu 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 (counterclockwise- CCW)

Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể đượcbiểu diễn như sau:

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 πU2 hoặc độ lệch pha của hai thành phần khôngphải là bội của πU2 (không quan tâm đến biên độ của chúng)

1.2.8 Dải tần của anten

Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten cácđặc tính của anten (như trở kháng vào, độ rộng búp sóng, hướng búp sóng, giản đồ,

phân cực, cấp thùy bên) trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mứcnửa công suất Nghĩa là các tan số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệchchuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần củaanten thường gọi là tần số công tác Quy ước về các dải tần số được biểu thị ở bảngsau:

Bảng 1.1 Các dải tần số

tin duyên hải, tìm kiếm

ngắn, hàng hải, hàng không

thông, cảnh sát, taxi, đạo hang

radar

vệ tinh

- Anten dải tần hẹp (anten tiêu tần số chuẩn)

010%

f f

Trong đó :   f fmax  fmin

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 thôngkhác nhau Tùy các ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn nhưthế nào cho phù hợp

1.3 Kết luận chương

Sau chương chương 1 em đã tìm hiểu được lý thuyết chung về anten cũng như tầmquan trọng của nó

CHƯƠNG 2 ANTEN VI DẢI

2.1 Giới thiệu anten vi dải

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyếnngười ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau: như anten parabol với độ lợi và tínhđịnh hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệtinh còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như anten Yagi, anten dây Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF5anten Ioga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh

- Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa

- Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thusóngvệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30 GHz)

- Anten phục vụ nghiên cứu khoa học

Đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động thìanten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhucầu của người sử dụng

Các khái niệm đầu tiên của anten vi dải được đưa ra bởi Deschamp (1953), Gutton

và Baissinot (1955) Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dảimới được chế tạo Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell vàMunson và được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau khicác yếu tố kỹ thuật được đáp ứng đầy đủ thì anten vi dải mới được phát triển mạnh mẽvới 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 với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch

dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten chothiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh

Đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động thìanten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhucầu của người sử dụng

2.2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải

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 100MHz đến

100 GHz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng vớinhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

Ưu điểm:

- Có khối lượng và kích thước 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 nguồn đơn giản,