Thiết kế anten vi dải hình chữ nhật với dải tần hoạt động 2.4GHz đến 2.48 GHz

Truyền thông vô tuyến đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ. 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 nổi trội như: Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo. Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng.Dễ dàng chế tạo anten có thể hoạt động với nhiều dải tần. Anten vi dải đã và đang là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết bị di động ngày nay.Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau năm 2000,có 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) và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng là rất thích hợp đối với những 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).Việc mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện naybởi vì anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp. Do đó, việc mở rộng băng thông và giảm kích thước đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Nhiều sự cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với cả hai loại phân cực, phân cực tròn và tăng ích cao đã được báo cáo trong một vài năm gần đây.Đồ án tập trung thiết kế anten vi dải hình chữ nhật với dải tần số hoạt động : 2.4 – 2.48 GHz và 5.15 – 5.85 GHz. Đồng thời sử dụng phần mềm CST Studio để thiết kế và mô phỏng. Phần mềm CST với ưu điểm về giao diện đồ họa cũng như mô phỏng 3D sẽ giúp ta có cái nhìn trực quan về kết quả thu được.Nội dung của đồ án gồm 4 chương:Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từChương 2: Lý thuyết antenChương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tầnChương 4: Thiết kế và mô phỏng

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt NamĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

***********

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không là bản sao chép của bất kỳ đồ án hay công trình đã có từ trước.Nếu vi phạm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 5 năm 2014 Người cam đoan

Trương Lê Kiên Nhẫn

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Sóng điện từ 1

1.3 Tính chất của sóng điện từ 1

1.4 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng 2

1.4.1 Một số nguyên lý cơ bản của trường điện từ 2

1.4.2.1 Phân loại các loại sóng 4

1.4.2.2 Truyền sóng trong không gian 4

1.4.2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng 6

1.4.2.4 Truyền sóng trong cáp quang 6

1.5 Tương thích điện từ 7

1.5.1 Khái niệm về tương thích điện từ 7

1.5.2 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ 7

1.5.3 Các loại nhiễu điện từ trường 8

1.5.3.1 Khái niệm 8

1.5.3.2 Các dạng của nguồn nhiễu như sau 8

1.5.3.2.1 Nhiễu truyền dẫn 8

1.5.3.2.2 Nhiễu trong thiết bị 9

1.5.3.2.3 Nhiễu từ bên ngoài như do nhiệt độ, độ ẩm, sấp chớp 9

1.6 Kết luận chương 9

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN 10

2.1Giới thiệu chương 10

2.2 Khái niệm về anten 10

2.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 11

2.4 Nguyên lý bức xạ sóng điện từ từ một anten 11

2.5 Các thông số cơ bản của anten 12

2.5.1 Trở kháng vào của anten 13

2.5.2 Hiệu suất của anten 13

2.5.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích 14

2.5.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten 15

2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng 16

2.5.6 Tính phân cực của anten 16

2.5.7 Băng thông 17

2.5.8 Các hệ thống anten 18

2.6 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG VÀ ANTEN VI DẢI NHIỀU BĂNGTẦN 20

3.1 Giới thiệu chương 20

3.2 Giới thiệu chung về anten vi dải 20

3.3 Một số loại anten vi dải cơ bản 21

3.4 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải: 25

3.5 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải 26

3.6 Tính phân cực của anten vi dải 27

3.7 Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần 29

3.7.1 Dải thông tần 29

3.7.2 Dải tần công tác 30

3.8 Mở rộng băng thông của anten vi dải 31

3.9 Ảnh hưởng các tham số chất nền tới băng thông 32

3.10 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thức hợp 34

3.11 Kỹ thuật kích thích đa mode 35

3.11.1 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng 35

3.12 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 41

4.1 Giới thiệu chung 41

4.2 Xây dựng bài toán thiết kế 41

4.2.1 Lựa chọn lớp điện môi 42

4.2.2 Lựa chọn tần số cộng hưởng 42

4.2.3 Tính chiều rộng của anten vi dải hình chữ nhật 42

4.2.4 Tính hằng số điện môi hiệu dụng 42

4.2.5 Tính chiều dài hiệu dụng của anten 42

4.2.6 Tính chiều dài thực tế của anten vi dải 42

4.2.7 Tính kích thước của mặt phẳng đất 43

4.2.8 Tính trở kháng vào và độ định hướng 43

4.2.7 Phối hợp trở kháng cho anten vi dải 49

4.3 Thiết kế anten vi dải cho hệ thống wireless tần số 2.4 GHz và sau đó mở rộng ra tần số 5GHz 50

4.3.1 Tính toán thiết kế 50

4.4 Mô phỏng bằng phần mềm CST studio 52

4.5 Kết luận chương 62

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

Tài Liệu Tham Khảo 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sóng điện từ 1

Hình 1.2 Truyền sóng trong tầng đối lưu 5

Hình1.3 Truyền sóng trong tầng điện ly 5

Hình1.4 Một vài ống dẫn sóng 6

Hình 1.5 Truyền sóng trong cáp quang 6

Hình 1.6 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ 7

Hình 1.7 Nguồn phát- Đường dẫn- Máy thu 8

Hình 2.1 Hệ thống anten thu và phát 10

Hình2.2 Các trường bức xạ tại vùng xa 12

Hình 2.3 Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực 15

Hình 2.4 Đồ thị phương hướng trong tọa độ góc 15

Hình 3.1 Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất 20

Hình 3.2 (a) Các hình dạng của anten patch vi dải thường được sử dụng trong thực tế 22

Hình 3.2 (b) Các hình dạng kiểu khác cho anten patch vi dải 22

Hình 3.3 Một vài Dipole mạch in và vi dải 23

Hình 3.4 Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện 24

Hình 3.5 Một vài cấu hình anten sóng chạy vi dải 24

Hình 3.6 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 25

Hình 3.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục 25

Hình 3.8 Tiếp điện bằng đường vi dải 26

Hình 3.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng đường vi dải 26

Hình 3.10 Tiếp điện bằng khe 26

Hình 3.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe 26

Hình 3.12 Trường bức xạ E và H của anten vi dải 27

Hình 3.13: Tiếp điện bằng một đường vi dải 28

Hình 3.14 Đồ thì bức xạ 3 chiều 28

Hình 3.18 Ảnh hưởng của độ dày chất nền và hằng số điện môi tới băng thông

trở kháng ( VSWR < 2) và hiệu suất bức xạ 32

Hình 3.19 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo hằng số điện môi chất nền 33

Hình 3.20 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày chất nền .33

Hình 3.21 Một số anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng 36

Hình 3.22 Anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng 38

Hình 3.23 Anten vi dải băng rộng sử dụng hai mode phân cực trực giao 39

Hình 3.24 Patch được cắt khe chữ U tạo ra hai tần số cộng hưởng và tăng băng thông 39

Hình 3.25 Patch được cắt khe chữ H 40

Hình4.1 Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền 44

Hình4.2 Vị trí điểm patch cho anten 47

Hình 4.3 Cấu trúc 3 chiều của anten thiết kế ở băng tần 2.4 – 2.48GHz 53

Hình 4.4 Đáp ứng tần số của thông số S11 53

Hình 4.5 Cấu trúc 3 chiều mặt trước của anten cần thiết kế 55

Hình 4.6 Cấu trúc 3 chiều mặt ngang của anten cần thiết kế 56

Hình 4.7 Đáp ứng tần số của thông số S11 ở tần số trung tâm 2.42 GHz 56

Hình 4.8 Đáp ứng tần số của thông số S11tại tần số trung tâm 5.5 GHz 58

Hình 4.9 Đồ thị bức xạ 3D tại tần số trung tâm 2.42 GHz 60

Hình 4.10 Giản đồ bức xạ tọa độ cực của anten tại tần số trung tâm 2.42 GHz 60

Hình 4.11Giản đồ bức xạ tọa độ cực của anten tại tần số trung tâm 5.5 GHz 61

DCS Digital Communication System

PCS Personal Communication System,

UMTS Universal Mobile Telecommunication SystemWLAN Wireless Local Area Network

EMC ElectroMagnetic Compatibility

EIRP Equipvalent isotropically radiated powerVLF Very low Freq

LF Low Freg

MF Medium Freg

HF High Freg

VHF Very High Freg

UHF Ultra High Freg

SHF Super High Freg

EHF Extremly High Freg

CST Computer simulation technology

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền thông vô tuyến đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ 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 nổi trội như: Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng.Dễ dàng chế tạo anten có thể hoạt động với nhiều dải tần Anten vi dải đã và đang là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết bị di động ngày nay.Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau năm 2000,có 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 MobileTelecommunication System, 1920 – 2170 MHz) và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan Anten phẳng là rất thích hợp đối với những 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)

Việc mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện naybởi vì anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp Do đó, việc mở rộng băng thông

và giảm kích thước đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải Nhiều sự cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với cả hai loại phân cực, phân cực tròn và tăng ích cao đã được báo cáo trong một vài năm gần đây

Đồ án tập trung thiết kế anten vi dải hình chữ nhật với dải tần số hoạt động : 2.4 – 2.48 GHz và 5.15 – 5.85 GHz Đồng thời sử dụng phần mềm CST Studio để thiết kế

Nội dung của đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ

Chương 2: Lý thuyết anten

Chương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần

Chương 4: Thiết kế và mô phỏng

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Lê Hùng đã hướng dẫn tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án, chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị và các bạn

đã góp ý và động viên em sâu sắc

Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ

1.1 Giới thiệu chương

Chương này giúp cho chúng ta hiểu về sự hình thành và tính chất của sóng điện

từ, hiểu thế nào là trường điện từ và những nguyên lý cơ bản của trường điện từ,

sự lan truyền sóng trong các môi trường khác nhau nó khác nhau như thế nào, những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền sóng và cách khắc phục nhữngyếu tố đó

1.2 Sóng điện từ

- Sóng điện từ hình thành khi có sự dao động điều hòa của một điện tích điểm:Khi tại một điểm bất kỳ nào đó có sự dao động điều hòa của một điện tích điểmvới tần số f theo phương thẳng đứng nó tạo ra một điện trường biến thiên điều hòavới tần số f, điện trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóngđiện từ

- Sóng điện từ là sự lan truyền của điện từ trường biến thiên tuần hoàn trongkhông gian theo thời gian

- Sóng điện từ có các tính chất của sóng cơ học: giao thoa, phản xạ, khúc xạ.

Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến được gọi là sóng vô tuyến.Sóng cực ngắn cótần số từ 100 MHz đến 1000 MHz được sử dụng nhiều trong truyền hình

1.4 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng

1.4.1 Một số nguyên lý cơ bản của trường điện từ

- Khái niệm: Trường điện từ là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác của các hạtmang điện và là trường mà điện trường và từ trường có tính thống nhất

- Các luận điểm trường điện từ của Maxwell:

+ Luận điểm thứ hai:

- Phát biểu: Bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời giam cũng sinh ra điện

từ trường

- Biểu thức: rot ⃗ H=⃗j+ ∂⃗ D

∂ t (1.2)+ Trường điện từ và hệ thống phương trình Maxwell

- Năng lượng trường điện từ:

Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thành một trườngthống nhất gọi là trường điện từ, là một đại lượng vật chất đặc trưng cho các hạtmang điện

Mật độ năng lường trường từ: w = w e+w m= 12(ε0ε E2+µ0µ H2) (1.3)

Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ

Năng lượng trường điện từ:  2 2

- Định lý Ostrograndski-Gauss với điện trường

- Định lý O-G với từ trường

1.4.2 Quá trình truyền sóng trong không gian

1.4.2.1 Phân loại các loại sóng

- Sóng cực ngắn: (λ=1m-10m): Có đặc điểm là không bị tầng điện ly phản xạ và cónăng lượng cực lớn

- Sóng ngắn: (λ=10m-100m): Có đặc điểm là bị tầng điện ly và mặt nước phản xạmạnh và có năng lượng lớn

- Sóng trung: (λ=100m-1000m): Có đặc điểm là vào ban ngày bị tầng điện ly hấpthụ mạnh nên không thể truyền đi xa, và không bị hấp thụ bởi tầng điện vào banđêm

- Sóng dài: (λ=1km-10km): Có đặc điểm là có năng lương nhỏ do đó không truyền

đi xa được, ít bị hấp thụ của nước nên thường dùng trong thông tin liên lạc ở trênmặt đất và nước

1.4.2.2 Truyền sóng trong không gian

- Truyền sóng mặt đất: Là sự lan truyền dọc theo bề mặt Trái Đất,thì năng lượngtruyền dẫn bị tiêu hao.Mức độ tiêu hao phụ thuộc vào các yếu tố sau: Sự hấp thụcủa trái đất (phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất), phụthuộc vào tần số,tần số càng cao thì suy hao càng mạnh,độ dẫn điện mạnh trên bềmặt biển làm cho cường độ tại điểm thu càng mạnh lên.Do đó, trong thực tế khitruyền sóng trên mặt đất người ta thường chọn sóng có tần số thấp

Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ

- Truyền sóng trong tầng đối lưu: Tầng đối lưu là lớp khí quyển từ mặt đất lên tới

độ cao khoảng (10-15) km.Càng lên cao mật độ phân tử khí càng giảm,làm thay đổiphương truyền của các phương sóng.Tầng này thích hợp cho truyền sóng ngắn.Sóngtruyền trong tầng này chủ yếu bằng phương thức phản xạ và khúc xạ

Hình 1.2 Truyền sóng trong tầng đối lưu

Cự ly truyền sóng cực đại trong tầng đối lưu là:

d max=√17 h T(mm) + √17 h R(mm)

-Truyền sóng trong tầng điện ly: Tầng điện ly là tầng khí quyển nằm cao 400)km, miền này hấp thụ nhiều tia tử ngoại có năng lượng lớn, các tia này có tácdụng phân li các phân tử khí trở thành các ion tự do, ở tầng này mật độ phân tử khígiảm thấp Khi tia sóng được phát lên tầng điện li thì cũng bị phản xạ bẻ cong vàquay trở lại mặt đất do vậy rất thích hợp cho việc truyền sóng ngắn

(60-Hình1.3 Truyền sóng trong tầng điện ly

1.4.2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng

Hình1.4 Một vài ống dẫn sóngỐng dẫn sóng có các đặc điểm sau:

- Sóng truyền trong ống dẫn sóng ở mode TM hoặc TE

- Tổn thất thấp (ở tần số cao và công suất lớn)

- Ứng với mỗi mode sóng tồn tại một tần số tới hạn

- Không thể hoạt động ở tần số thấp hơn tần số tới hạn, ứng dụng như một bộ lọcthông cao

1.4.2.4 Truyền sóng trong cáp quang

Hình 1.5 Truyền sóng trong cáp quangTrong cáp quang truyền truyền sóng dựa vào tính chất phản xạ toàn phần khi tia sáng đi từ môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường chiết suất bé hơn và góc tia tới lớn hơn góc tới hạn

Các suy hao xuất hiện trong quá trình truyền sóng trong cáp quang

- Suy hao do tán xạ

Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ

- Suy hao do hấp thụ

- Suy hao do các mode rò rỉ

- Suy hao do ghép mode

- Suy hao do bị uốn cong

1.5 Tương thích điện từ

1.5.1 Khái niệm về tương thích điện từ

Tương thích điện từ là một thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà thiết bị điện, điện tử có được khi chúng vận hành tốt trong một môi trường có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có nhiễu từ xung quanh Khi quan tâm EMC ta quan tâm đến: Phát xạ điện từ và độ nhạy nhiễu điện từ

Yêu cầu giảm độ phát xạ và độ nhạy của thiết bị

1.5.2 Mô hình cơ bản của tương thích điện từ

Hình 1.6 Mô hình cơ bản của tương thích điện từTheo mô hình như trên thì ta thấy có hai thiết bị A và B hoạt động trong cùng mộtmôi trường.Vấn đề đặt ra là làm thế nào để hạn chế A và B gây nhiễu lẫn nhau vàcũng không muốn nhiễu của môi trường bên ngoài tác động và hai thiết bị

Khái niệm tương thích điện từ được mô tả như hình:

Hình 1.7 Nguồn phát- Đường dẫn- Máy thuChúng ta thấy có ba thành phần mà nó có thể tồn tại nhiễu và sinh ra nhiễu liênquan đến vấn đề tương thích điện từ, Để giải quyết vấn đề TTDT trong các thànhphần này có một số đề xuất:

-Giảm tổng năng lượng được phát xạ hay còn gọi là khử năng lượng tại nguồn phát.-Chúng ta phải kiểm soát đường dẫn thông qua dây dẫn hay bức xạ ra không gian

- Tăng khả năng chống nhiễu ở máy thu

1.5.3 Các loại nhiễu điện từ trường

1.5.3.1 Khái niệm

- Nhiễu là tín hiệu không mong muốn xuất hiện trong thiết bị điện tử.Nó kết hợp vớitín hiệu mong muốn làm suy giảm chất lượng của tín hiệu mong muốn.Nó đượcphát sinh từ các nguồn khác nhau

1.5.3.2 Các dạng của nguồn nhiễu như sau

-Thông qua mạng điện cung cấp nhiễu sinh ra từ thiết bị này:

+ Gây nhiễu lên các thiết bị khác

+ Phát tán lên mạng điện và có thể gây ra nhiễu phát xạ trong mạng

- Thành phần thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi ( thay đổi điện cảm,điện trở)khi truyền dẫn ở tần số cao (>150KHz)

Chúng ta cần phải lọc nhiễu truyền dẫn để loại bỏ nhiễu

Chương 1: Nguyên lý chung về sóng điện từ

1.5.3.2.2 Nhiễu trong thiết bị

- Do các xung clock trong thiết bị số,do việc bố trí các nguồn cung cấp gây nhiễu 1.5.3.2.3 Nhiễu từ bên ngoài như do nhiệt độ, độ ẩm, sấp chớp

- Chúng ta không thể khử nhiễu một cách hoàn toàn mà chỉ có thể giảm bớt tác động của chúng gây ra ảnh hưởng tới tín hiệu mong muốn

1.6 Kết luận chương

Khi chúng ta nắm được khái niệm về sóng điện từ, trường điện từ thì phần nào chúng ta có thể mô hình hóa được vấn đề ta thiết kế, khi biết được các nguyên nhân gây nhiễu ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng ta có thể phần nào khắc phục được nhiễu

Thiết bị điều chếMáy phát

Hệ thống gia công tín hiệuAnten thu

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN

2.1 Giới thiệu chương

Anten là một linh kiện cần thiết trong các thiết bị vô tuyến Anten là thiết bị bức

xạ sóng điện từ hay thu tín hiệu từ hữu tuyến sang vô tuyến.Để thiết kế antenđiều đầu tiên chúng ta phải nghiên cứu và nắm rõ các lý thuyết cơ sở của kỹthuật anten

Trong chương này, đồ án sẽ tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, các thông

số cơ bản của anten tạo nền cho việc thiết kế anten

2.2 Khái niệm về anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ chuyển tín hiệu từhữu tuyến sang vô tuyến Trong các thiết bị vô tuyến anten là một linh kiện cầnthiết

Ngày hôm nay cùng với sự phát triển của kỹ thuật thông tin liên lạc, rada điềukhiển …,yêu cầu anten không chỉ bức xạ và thu nhận sóng điện từ mà còn gia

công tín hiệu

Ch ương 2: Lý thuyết anten ng 2: Lý thuy t anten ết anten

Hình 2.1 Hệ thống anten thu và phát

2.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Theo lý thuyết khi nào có sự xuất hiện của điện trường và từ trường biến thiênđều có bức xạ sóng điện từ.Nhưng trong thực tế trong những điều kiện nhất địnhmới có sự xuất hiện của bức xạ sóng điện từ

Để minh họa cho điều này chúng ta lấy một ví dụ là một mạch dao động LC,sovới bước sóng thì nó có kích thước rất nhỏ Bây giờ chúng ta đặt vào mạch mộtsuất điện động biến thiên thì sẽ xuất hiện từ trường biến thiên trong không giancuộn dây còn điện trường biến thiên trong trong không gian tụ điện và rõ rangchúng ta nhận thấy rằng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà nó bị giớihạn trong không gian mạch Dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điệntrường biến thiên với biên độ lớn trong không gian bên ngoài khi chúng ta tangkích thước của tụ điện lên Khi khoảng cách của chúng so với nguồn là khá xathì đường sức điện sẽ không còn ràng buộc vào hai điện cực của tụ điện màchúng sẽ ra không gian và hình thành nên một điện trường xoáy.Mà theo lýthuyết khi điện xoáy biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến đổi và từ trường biến đổi

sẽ tạo ra điện trường xoáy cứ tiếp tục như vậy sẽ tạo ra sự lan truyền sóng điệntừ

2.4 Nguyên lý bức xạ sóng điện từ từ một anten

Khi anten nhận được năng lượng từ nguồn có 2 trường được tạo ra.Trường thứnhất được gọi là trường cảm ứng ( trường gần).Trường thứ hai được gọi làtrường bức xạ (trường xa).Tại anten trong trường gần các trường có cường độlớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten.Tại vùng xa chỉ

có sự tồn tại của trường bức xạ và tại vùng này gồm có hai thành phần điệntrường và từ trường

Hình2.2 Các trường bức xạ tại vùng xa-Trường điện từ được tạo ra bằng sự kết hợp của hai thành phần điện trường và

từ trường.Trường điện từ lan truyền và nhận năng lượng thông qua không gian

tự do.Trường bức xạ gồm các sóng phẳng Khi sóng điện từ lan truyền trongkhông gian thì năng lượng của sóng mang trải ra ngày càng lớn

2.5 Các thông số cơ bản của anten

Ch ương 2: Lý thuyết anten ng 2: Lý thuy t anten ết anten

- Dải tần của anten

2.5.1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten bằng tỷ số của điện áp đặt vào anten U A và dòng điện

chạy trong anten I A và được biểu diễn dưới dạng phức như công thức:

Z A=U A

I A=R A+j X A (2.1)Trong đó thành phần thực của trở kháng vào được tính bởi tỷ số của công suất đặt

vào anten P Avà dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten I Ae

R A=P A

I Ae (2.2) Thành phần kháng của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện

áp dọc theo anten và có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng

trong một số trường hợp cụ thể:

- Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của

anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten

- Việc phối hợp trở kháng giữa đầu ra của máy thu với đầu vào của anten giúp cho

có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến máy thu

2.5.2 Hiệu suất của anten

Hiệu suất của anten đặc trưng cho quá trình chuyển đổi năng lượng của anten.Hiệu

suất anten bằng tỷ số của công suất bức xạ và công suất đưa vào anten

Công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi điện trở bức xạ R bxvàđiện trở tổn hao R th

Anten chuẩn được xem như nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng, với hiệu suất là η A=1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng

Số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng mà vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,φ) ) nào đó được gọi là hệ số định hướng D(θ,φ) )

P bx(0),P bx(θ1, φ1) là công suất bức xạ của anten vô hướng và công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng (θ1,φ1¿

E(θ1, φ1¿, E (0 ) là cường độ trường tương ứng của chúng

Để có một khái niệm đầy đủ hơn và đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten người ta đưa ra khái niệm về hệ số tăng ích

Ch ương 2: Lý thuyết anten ng 2: Lý thuy t anten ết anten

Hệ số tăng ích của anten G(θ,φ) ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,φ) ).G(θ,φ) ) = η A D(θ , φ) (2.8)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức

xạ và hiệu suất của anten Từ (2.8) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được

P bxtheo công thức sau:

P bx = P A.G A (2.9)

2.5.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten

Khi bức xạ ra trong không gian thì sóng điện từ lan truyền nhiều hướng, ở mộthướng nào đó anten phát hoặc thu tín hiệu là tốt nhất Điều quan trong là chúng talàm thế nào để xác định tính hướng tính của anten.Tính hướng tính của anten khôngnhững phụ thuộc vào hệ số định hướng mà còn được đặc trưng bởi đồ thị phươnghướng anten

Đồ thị phương hướng biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của công suất bức

xạ hoặc cường độ điện trường tại những điểm có khoảng cách bằng nhau và đượcthể hiện trong hệ tọa độ cực hoặc hệ tọa độ góc tương ứng của điểm đang xét

Hình 2.3 Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực

Hình 2.4 Đồ thị phương hướng trong tọa độ gócTùy theo sự biến đổi của góc theo các phương hướng khác nhau mà trường bức xạbiến đổi từ giá trị cực tiểu đến giá trị cực đại Khái niệm độ rộng của đồ thị phươnghướng

hay còn gọi là góc bức xạ nhằm để đánh giá dạng đồ thị phương hướng Góc bức xạđược xác định bởi hai bán kính vector có giá trị bằng ½ công suất cực đại, góc bức

xạ còn gọi là góc nửa công suất

2.5.5 Công suất bức xạ đẳng hướng

Trong vài hệ thống truyền tin vô tuyến như thông tin vệ tinh, công suất anten phátđược đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Ký hiệu làEIRP

EIRP=P T G T (2.10)Trong đó P T là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và G T là hệ số tăng íchcủa hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích G T của anten cho biết việc tập trung công suất bức xạ của máy phátcung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten Công suất bức xạ đẳng hướng làcông suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem

G T = 1 Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn

2.5.6 Tính phân cực của anten

Trong quá trình lan truyền sóng các vector ⃗E , ⃗ H sẽ có biên độ và pha thay đổi Sựbiến đổi của vecto điện trường làm cho sự phân cực của sóng thay đổi Dạng phân

Ch ương 2: Lý thuyết anten ng 2: Lý thuy t anten ết anten

cực sóng được định nghĩa là hình chiếu của điểm đầu mút của vecto cường độ điệntrường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương lan truyền của sóng

Ví dụ như hình chiếu có dạng tròn , elip, thẳng thì có các dạng phân cực tròn , elip,thẳng tương ứng Dạng elip là trường hợp tổng quát còn các dạng phân cực tròn vàthẳng là những trường hợp riêng

Khi thiết kế việc chọn dạng phân cực tùy thuộc vào ứng dụng Ví dụ như để lantruyền hoặc thu sóng mặt đất chúng ta thường sử dụng anten phân cực đứng vì tổnhao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn so với phân cựcngang

2.5.7 Băng thông

Định nghĩa: Là khoảng tần số mà mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một vàitiêu chuẩn nhất định Chẳng hạn như trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phâncực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ đạt giá trị có thểchấp nhận được

Khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được,với anten dải rộng băngthông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần số dưới

BW = f f max

mịn (2.11)Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bởi tỉ lệ phần trăm của sự sai khác tần

số ( tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông Ví dụ băngthông 5% thể hiện rằng sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông

BW = f max−f f min

0 (2.12)Trong thực tế có nhiều định nghĩa về băng thông khác nhau tùy vào từng ứng dụng

cụ thể bởi vì các đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phâncực… của anten không biến đổi giống nhau theo tần số

2.5.8 Các hệ thống anten

Quy ước các dải tần số

Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng

3-3KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị

30- 300 KHz Low Freg (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng300-3000 KHz Medium Freg (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm

thông tin duyên hải, tiềm kiếm

3-30 MHz High Freg (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không30-300 MHz Very High Freg (VHF) TV, Phát thanh FM, điều khiển giao thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng

300-3000 MHz Ultra High Freg (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, dò

thám,radar

3-30GHz Super High Freg (SHF) Hàng không, vi ba, thông tin di động, vệ tinh

30-300 GHz Extremly High Freg (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học

- Anten thông dụng: anten tai thỏ tivi, anten râu oto, anten loga chu kỳ cho tivi,anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten vòng cho UHF

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

Ch ương 2: Lý thuyết anten ng 2: Lý thuy t anten ết anten

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

- Anten phục vụ cho nghiên cứu khoa học

2.6 Kết luận chương

Qua chương này giúp em nắm lại các thông số và công thức tính các thông số cơbản nhất và cần thiết cho quá trình thiết kế anten của em.Hiểu được quá trình vật lýcủa sự bức xạ sóng điện từ và nguyên lý bức xạ sóng điện từ từ một anten Nhữngkiến thức này làm nền cho em tìm hiểu những chương tiếp theo

CHƯƠNG 3: ANTEN VI DẢI BĂNG RỘNG VÀ ANTEN VI DẢI NHIỀU BĂNG TẦN

3.1 Giới thiệu chương

Qua chương 1 và chương 2 chúng ta nắm được sơ lược về sóng điện từ, sự lan truyền của sóng, các thông số cơ bản của anten Để thực hiện yêu cầu thiết kế anten

vi dải băng rộng và nhiều băng tần thì ở chương 3 này chúng ta tìm hiểu kĩ về anten

vi dải có cấu tạo như thế nào, những yếu tố nào quyết định đến băng tần của anten Nắm được các phương pháp mở rộng băng tần từ đó thiết kế được anten băng rộng

và hoạt động ở nhiều tần số

3.2 Giới thiệu chung về anten vi dải

Khái niệm anten vi dải được đưa ra lần đầu tiên năm 1953 bởi Deschamps và sau đóbởi Gutton và Bassinot năm 1955 Tuy nhiên mãi đến năm 1972 người ta mới chế tạo các aten vi dải, bởi vì thời điểm này xuất hiện chất nền có đặc tính tốt

Anten vi dải có có cấu hình đơn giản được mô tả như hình 3.1 bên dưới bao gồm một patch phát xạ nằm trên một mặt của chất nền có điện môi (ε <= 10), mặt dưới của chất nền là mặt phẳng đất Patch là vật liệu dẫn điện thường là đồng hay vàng

và có một vài hình dạng chung được sử dụng

Khi ta thay đổi hằng số điện môi của chất nền nó sẽ ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, băng thông, tần số cộng hưởng và hiệu suất của anten

Hình 3.1: Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất

Chương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần

Ưu điểm của anten vi dải:

- Có thể tạo ra các phân cực tuyến tính hay tròn bằng cách thay đổi các phương pháp tiếp điện

- Dễ dàng chế tạo các anten hoạt động nhiều dải tần

- Các đường tiếp điện và mạng phối hợp trở kháng có thể được in cùng với cấu trúc anten

- Trọng lượng nhẹ, giá thành sản xuất thấp, dễ dàng được gắn lên các đối tượng khác, phù hợp cho nhiều ứng dụng

Nhược điểm của anten vi dải:

- Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian

- Băng thông nhỏ (chỉ cỡ 0.5 tới 10%)

- Giới hạn độ tang ích cực đại

- Công suất cho phép thấp

- Xuất hiện các sóng mặt

- Hiệu suất bức xạ kém

3.3 Một số loại anten vi dải cơ bản

- Anten có patch vi dải (Microstrip Patch Antenna ): Gồm có tấm dẫn điện ở trên một phía của tấm điện môi Tấm dẫn điện có thể là một trong nhưng hình như dưới đây

Hình 3.2 (a) Các hình dạng của anten patch vi dải thường được sử dụng trong thực tế.

Hình 3.2 (b) Các hình dạng kiểu khác cho anten patch vi dải

Chương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần

- Anten dipole vi dải: ( Printed Dipole Antenna): Gồm có tấm dẫn điện giống như anten vi dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole vi dải gồm có các tấm đối xứng ở cả hai phía của lớp điện môi

Hình 3.3 Một vài Dipole mạch in và vi dải

- Anten khe mạch in ( Printed Slot Antenna): Gồm có khe hẹp có thể có bất cứ hìnhdạng gì tuy nhiên thông thường là hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên nằm ở trênmặt phẳng đất

Hình 3.4 Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện

- Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna): Gồm các đoạn dãyxích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tấm điện môi

Chương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần

Hình 3.5 Một vài cấu hình anten sóng chạy vi dải

3.4 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải:

Hình 3.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục

- Tiếp điện bằng đường vi dải:

Đường vi dải có độ dài λ g

4để phối hợp trở kháng giữ đường tín hiệu 50 Ω tới trởkháng vào của anten

Hình 3.8 Tiếp điện bằng đường vi dải

Hình 3.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng đường vi dải

- Tiếp điện bằng khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng:

Người ta ghép giữa đường vi dải 50 Ω với trở kháng vào của anten bằng khoảngcách

s Khoảng cách này sẽ như thành phần điện dung C

Hình 3.10 Tiếp điện bằng khe

Chương 3: Anten vi dải băng rộng và anten vi dải nhiều băng tần

Hình 3.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe

3.5 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Sóng điện từ sau khi qua lớp patch vào trong lớp điện môi và được phản xạ trên mặtphẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên Trường bức xạ xảy ra do trường giữatấm patch và mặt phẳng đất

Hình 3.12 Trường bức xạ E và H của anten vi dải

Có 4 loại sóng trong cấu trúc vi dải đó là: Sóng trong ống dẫn sóng , sóng rò, sóngmặt,sóng không gian Nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng lượngđược giữ trong ống dẫn sóng Nếu cấu trúc là một anten thì năng lượng sẽ được biếnđổi thành sóng không gian Còn 2 loại sóng kia là suy hao không mong muốn

- Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại giữa màn chắn dẫn điện và phiến kim loạitrong lớp điện môi

- Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn kim loại theogóc nhỏ hơn góc tới hạn Một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điệnmôi sau khi phản xạ từ màn chắn, làm cho một phần năng lượng bị rò ra khỏi lớpđiện môi

- Sóng mặt là sóng năng lượng chủ yếu tập trung bên trong và bề mặt lớp điện môi,chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn điện môi – không khí

- Sóng không được phát xạ lên trên bề mặt phiến kim loại Màn chắn kim loại đãngăn không cho bức xạ xuống không gian phía dưới nên sóng không gian chỉ tồn tại

ở nửa trên

3.6 Tính phân cực của anten vi dải

Phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định được gọi là sự phân cực củaanten, nó phụ thuộc vào loại tiếp điện.Người ta có thể tạo ra các trường bức xạ phâncực thẳng hoặc phân cực tròn tùy vào mục đích sử dụng

Thông thường với các biện pháp tiếp điện thì phân cực của anten vi dải là phân cựcthẳng như:

Hình 3.13: Tiếp điện bằng một đường vi dải

Hình 3.14 Đồ thì bức xạ 3 chiều

Hình 3.15 Tiếp điện bằng 2 đường vi dải vào 2 cạnh của anten