Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông anten MIMO UWB

Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng các dịch vụ tiện ích đáp ứng nhu cầu cuộc sống càng cao. Một trong những ứng dụng đó là truyền tải không dây tốc độ cao ở khoảng cách gần. Để tải, di chuyển, chia sẻ những tập tin có dung lượng lớn cho các thiết bị ở khoảng các gần bằng phương thức không dây đặt ra yêu cầu mới cho các nhà thiết kế thiết bị. Một giải pháp là sử dụng các dải tần số cao có băng thông rộng để truyền tải dữ liệu. Công nghệ UWB là một giải pháp hữu hiệu cho yêu cầu đặt ra. Trong hệ thống UWB thì anten băng thông siêu rộng là thành phần quan trọng nhất. Chính vì vậy trong đề tài tập trung thiết kế và khảo sát một anten MIMO mạch in có cấu trúc phẳng hoạt động dải tần từ 3.110.6 GHz. Đồng thời sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU iii

TÓM TẮT iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Lý thuyết chung về anten 2

1.2.1 Giới thiệu 2

1.2.2 Các thông số cơ bản của anten 5

1.2.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 5

1.2.2.2 Giản đồ bức xạ 6

1.2.2.3 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính 6

1.2.2.4 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính 7

1.2.2.5 Mật độ công suất bức xạ 9

1.2.2.6 Cường độ bức xạ 10

1.2.2.7 Hệ số định hướng 11

1.2.2.8 Hệ số tăng ích 12

1.2.2.9 Băng thông 14

1.2.2.10 Phân cực 14

1.2.2.11 Trở kháng vào 16

1.3 Anten vi dải 17

1.3.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 18

1.3.2 Đặc tính của anten vi dải 19

1.3.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 20

1.3.4 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải 23

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG VÀ ANTEN MIMO 25

2.1 Công nghệ UWB 25

2.1.1 Lịch sử phát triển 25

2.1.2 Các ưu điểm của UWB 26

2.2 Anten MIMO 28

2.2.1 Đặc điểm anten MIMO 28

2.2.2 Lợi ích của kỹ thuật đa anten 28

2.2.3 Mô hình tổng quát anten MIMO 28

2.3 Các kỹ thuật tăng băng thông 30

2.3.1 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ 30

2.3.2 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện 30

2.3.3 Kỹ thuật kích thích đa mode 31

2.3.4 Kỹ thuật giảm nhỏ mặt đất 31

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN MIMO BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG 32

3.1 Mục đích 32

3.2 Quy trình thiết kế 32

3.3 Thiết kế mô phỏng 34

3.3.1 Thiết kế anten có tần số 7,25 GHz 34

3.3.2 Tiến hành thu hẹp đất để tăng băng thông 35

3.3.3 Thêm Stub mặt đất 36

3.4 Anten MIMO 2x2 39

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

Nội dung của báo cáo gồm bốn chương.

Chương 1 giới thiệu tổng quan về anten Trong đó chúng tôi tập trung trìnhbày lý thuyết về anten, nêu ra các loại anten và các thông số cơ bản của anten

Chương 2 trình bày về công nghệ băng thông siêu rộng UWB và anten MIMObao gồm lịch sử phát triển, ưu nhược điểm của công nghệ UWB và lý thuyết antenMIMO và các ứng dụng

Chương 3 thực hiện thiết kế mô phỏng anten MIMO băng thông siêu rộngUWB trên phần mềm CST, các kết quả đạt được và thảo luận

Cuối cùng đề tài trình bày về kết quả thu được và các định hướng phát triển

đề tài

TÓM TẮT

Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và mô phỏng anten vi dải MIMO 2 cổngbăng thông siêu rộng (UWB) hoạt động ở dải tần từ 3.1-10.6 GHz sử dụng phầnmềm CST Anten được thiết kế trên chất nền RO-4350B có hằng số điện môi 3.66

và có bề dày 0.8 mm và được cấp nguồn bằng đường truyền vi dải Các kết quả môphỏng đạt được cho thấy anten có hệ số tăng tích từ 2 đến 6.8 dBi, hiệu suất bức xạtrên 80%, hệ số tương quan nhỏ hơn 0.02 trong toàn bộ dải tần làm việc Các tham

số kỹ thuật của anten đề xuất có thể ứng dụng trong công nghệ không dây UWB

ABSTRACT

This thesis focuses on study of designing and simulating 2 port UWB MIMOmicrostrip antenna which operate in range of 3.1-10.6 GHz by CST software Thisantenna is designed on RO-4350B as substrate with permitty of 3.66 and height of0.8mm and fed by microstrip line The obtained simulation results show thatantenna has gain from 2 to 6.8 dBi, radiation effiency above 80%, cooperation ratiobelow 0.02 in whole the operation frequency The technique parameter of theproposed antenna can be applied for wireless UWB applications

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng máy tínhEIRP Egquivalent Isotropically

Ủy ban truyền thông Hoa Kỳ

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Electronics Engineers

Viện các kỹ sư điện tử

IC integrated circuit Mạch tích hợp

IR - UWB Impulse radio UWB Hệ thống truyền thông vô

tuyến

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình Trang

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng 3

Hình 1.2 Mạch điện tương đương 3

Hình 1.3 Hệ thống tọa độ để phân tích anten 6

Hình 1.4 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten 7

Hình 1.5 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính 8

Hình 1.6 Anten vi dải 17

Hình 1.7 Các dạng anten vi dải thông dụng 18

Hình 1.8 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 21

Hình 1.9 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 21

Hình 1.10 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled 22

Hình 1.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled 22

Hình 1.12 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải 23

Hình 2.1 Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 29

Hình 3.1 Hình dạng đơn anten 34

Hình 3.2 Đồ thị hệ số suy hao S11 đơn anten 35

Hình 3.3 Giảm mặt đất 35

Hình 3.4 Đồ thị hệ số suy hao S11 36

Hình 3.5 Hình dạng anten có đường stub 36

Hình 3.6 Kết qua mô phỏng khi thêm đường stub S11 37

Hình 3.7 Đồ thị VSWR đơn anten 37

Hình 3.8 Độ lợi anten theo tần số đơn anten 38

Hình 3.9 Đồ thị năng lượng bức xạ anten đơn anten 38

Hình 3.10 Hiệu suất bức xạ của đơn anten 39

Hình 3.11 Hình dạng anten MIMO 2x2 40

Hình 3.12 Đồ thi S của anten MIMO 2x2 40

Hình 3.13 Hệ số tương qua giữa hai anten trong MIMO 2x2 41

Hình 3.14 Đồ thị độ lợi theo tần số anten MIMO 2x2 41

Hình 3.15 Độ lợi anten MIMO 2x2 3D 42

Hình 3.16 Đồ thị VSWR anten MIMO 2x2 42 Hình 3.17 Công suất bức xạ anten MIMO 2x2 43 Hình 3.18 Hiệu suất bức xạ của anten MIMO 2x2 43

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN

Trong chương này sẽ tìm hiểu rõ các khái niệm, các thông số cơ bản củaanten Cũng như đường truyền vi dải được sử dụng để kích thích sự bức xạ củaanten

1.1 Tổng quan

Trong các hệ thống truyền thông không dây hiện đại đặt ra yêu cầu băngthông rộng hơn, đa tần và anten kích thước nhỏ đang có nhu cầu rất lớn cho cả cácứng dụng thương mại và quân sự Điều này thúc đẩy quá trình nghiên cứu antentheo các hướng khác nhau Một trong số đó là sử dụng anten có cấu trúc vi dải.Theo truyền thống, mỗi anten hoạt động ở băng tần đơn hoặc kép, mỗi anten khácnhau là cần thiết cho các ứng dụng khác nhau

Anten là một thành phần rất quan trọng đối với các hệ thống thông tin liênlạc không dây sử dụng tần số vô tuyến điện và sóng vi ba Theo định nghĩa, mộtanten là một thiết bị được sử dụng để chuyển đổi một tín hiệu vô tuyến thành tínhiệu điện hoặc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu vô tuyến trong không gian tự

do Các tiêu chuẩn IEEE định nghĩa các thuật ngữ cho Antennas (IEEE Std 1983) là "một phương tiện để phát xạ hoặc nhận sóng vô tuyến" Nói cách khác, nó

145-là một cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và một thiết bị định hướng đượcthực hiện để phát ra và nhận sóng điện từ một cách hiệu quả Anten thường được sửdụng trong phát thanh, truyền hình, điện thoại di động, radar và các hệ thống khácliên quan đến việc sử dụng các sóng điện từ Anten hoạt động như một thuộc tínhđược biết đến như sự tác động qua lại, có nghĩa là một anten sẽ duy trì các đặc điểmgiống nhau không phân biệt nếu nó được truyền hoặc nhận

Các nhà khai thác đang tìm kiếm các loại anten có thể hoạt động trên nhiềudải tần hoặc cấu hình lại được theo yêu cầu về những thay đổi trên hệ thống Hơnnữa một số ứng dụng đòi hỏi phải có tính thẩm mỹ trong việc thiết kế anten Đặt rayêu cầu càng thu nhỏ anten càng tốt

Hiện nay nhiều thiết bị di động sử dụng anten có kích thước một phần tưbước sóng mà chủ yếu là các phần của dây bức xạ cắt theo chiều dài xác định Mặc

dù đơn giản nhưng chúng có tính chất bức xạ tuyệt vời Tuy nhiên đối với các hệ

thống hoạt động ở 900 MHz như GSM, chiều dài của anten một phần tư bước sóng

là quá dài so với kích thước thiết bị, đặt ra một mối phiền toái cho người sử dụng.Anten vi dải sẽ có lợi thế cao để thiết kế một anten với đặc tính bức xạ tương tự nhưanten một phần tư bước sóng trong khi vẫn giữ các đặc tính bức xạ của nó Những

xu hướng hiện nay về khoa học công nghệ truyền thông không dây cũng có thểđược hưởng lợi Ngày càng có nhiều hệ thống đã được giới thiệu trong đó tích hợpnhiều công nghệ Chúng thường yêu cầu để vận hành ở nhiều dải tần số, do đóchúng cần một hệ thống anten đáp ứng yêu cầu trên

Giờ đây đã có nhiều quan tâm đến anten bức xạ vi dải Bởi vì tính đơn giản

và khả năng tương thích với công nghệ in mạch, anten vi dải đã được sử dụng rộngrãi trong các loại anten Đơn giản chỉ cần một anten vi dải là một hình chữ nhậthoặc hình dạng khác, với bề mặt bức xạ kim loại trên bề mặt nền điện môi Antenbức xạ vi dải hấp dẫn trong các ứng dụng anten với nhiều lý do Chúng chế tạo dễdàng và rẻ tiền để sản xuất, trọng lượng nhẹ, và phẳng dễ thích hợp vào thiết bị.Ngoài ra chúng có thể được sản xuất hoặc như là một phần tử độc lập hoặc là mộtphần của một mảng Tuy nhiên những ưu điểm trên thì bù lại là hiệu quả thấp vàbăng thông hạn chế

1.2 Lý thuyết chung về anten

1.2.1 Giới thiệu

Một anten được định nghĩa bởi từ điển của Webster như là "một thiết bịthường bằng kim loại (như một que hoặc dây) để bức xạ hoặc nhận sóng vô tuyến".Các tiêu chuẩn IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std 1451983) định nghĩa anten là "một phương tiện để bức xạ hoặc nhận sóng radio"

Nhiều cấu trúc khác nhau có thể hoạt động như anten Nói chung anten đượcxây dựng trên vật liệu điện dẫn và có thể được xây dựng trong nhiều hình dạng vàkích cỡ Kích thước có liên quan đến các bước sóng hoạt động của các anten Mộtanten được thiết kế để hoạt động ở 10 kHz là hầu như luôn luôn lớn hơn nhiều sovới một anten được thiết kế để hoạt động ở 10 GHz

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (antenthu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúcchuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng, như thể hiện trong hình 1.1

Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thukhông nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượngđiện từ gọi là fider Trong hệ thống này máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điệncao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fider tới anten phát dưới dạng sóngđiện từ ràng buộc Ngược lại anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ khônggian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này đượctruyền theo fider tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và fider là phải thực hiện việctruyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tínhiệu.

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng [1]

Hinh 1.2 Mạch điện tương đương [1]

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ởchế độ phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo daođộng lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc

trưng Z , và anten được thể hiện bởi tải C Z , trong đó A Z A R L R RJX A Trởkháng tải R thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn, hai thành phần mất mát L

này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng R được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể R

hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng X thể hiện phần ảo của trở A

kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn cótrường điện từ dao động ở gần anten, ràng buộc với anten Phần công suất này khôngbức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyểnthành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn Côngsuất này gọi là công suất vô ích, và được biểu thị thông qua điện kháng X Trong A

điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trởkháng bức xạ R R

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 của đường truyền dẫn và anten), cũng nhưtùy theo sự mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếpđiện giữa đường truyền và anten

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vàoanten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoanhau tạo thành sóng đứng trên đường truyền dẫn Khi đó trên đường truyền xuất hiệncác nút và bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứng điển hình được thể hiện làđường gạch đứt trong hình 1.2 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 làmột thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóngđứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn Tổng mất mát phụ thuộc vàođường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát do đường truyền có thể được tốithiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền mất mát thấp, trong khi mất mát doanten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng bức xạ R trong hình 1.2 L

Sóng đứng có thể được giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyềnđược tối thiểu hóa bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưngcủa đường truyền Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tảichính là anten

Một phương trình tương tự như hình 1.2 được sử dụng để thể hiện hệ thốnganten trong chế độ thu, ở đó nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả các phầnkhác của phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ R được sử dụng R

để thể hiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tớianten

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

Anten là một lĩnh vực hấp dẫn Công nghệ anten đã là một phần không thểthiếu trong các giải pháp truyền thông Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thờigian cách đây hơn 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay, tuy nhiên các kết quả mới đạtđược ngày nay đưa tới những cải thiện về các thông số của anten Những bước cảitiến các thông số hiệu suất hệ thống ngày càng lớn hơn

1.2.2 Các thông số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sựbức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ địnhhướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, 

1.2.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra Mộttrường là trường cảm ứng (trường gần) trường này ràng buộc với anten, còn trườngkia là trường bức xạ (trường xa) Ngay tại anten (trong trường gần) cường độ củacác trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten Tạitrương xa chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường xa gồm hai thành phần là điệntrường và từ trường

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thànhtrường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua khônggian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường ở khu xa là cácsóng phẳng Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diệntích ngày càng lớn hơn Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước

giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng.

1.2.2.2 Giản đồ bức xạ

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với mộtgiản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thểhiện các đặc tính định hướng của anten

Hình 1.3 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: "là một hàm toán họchay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten và là hàm của các tọa độkhông gian" Trong hầu hết các trường hợp giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặctính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian hai chiều hay ba chiều,

sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bánkính không đổi Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình1.3 Trong thực tế ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thườngchỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến   với vài giá trị đặc biệt của   và giản

đồ là hàm của   với một vài giá trị đặc biệt của   là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cầnthiết

1.2.2.3 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định bức xạ đều theo tất cả các hướng.Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta

thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của antenthực Anten hướng tính là anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnhtheo một vài hướng hơn các hướng còn lại.

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình1.4 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa

vector H (azimuth plane) với  f   ,  / 2 và hướng tính trong mặt phẳngchứa vevtor E (elevation plane) với g  , const

Hình 1.4 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1]

Mặt phẳng E được định nghĩa là "mặt phẳng chứa vector điện trường và hướngbức xạ cực đại", và mặt phẳng H được định nghĩa là "mặt phẳng chứa vector từtrường và hướng bức xạ cực đại" Trong thực tế ta thường chọn hướng của antenthế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trongcác mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z)

1.2.2.4 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là cácthùy, có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 1.5(a)minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường

độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy.Hình 1.5(b) thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 1.5(a))

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính) được định nghĩa là "thùy chứahướng bức xạ cực đại" Trong hình 1.5, thùy chính đang chỉ theo hướng  0 Có

thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Thùy phụ là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùychính Thông thường thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định hướng ở báncầu theo hướng của chùm chính Thùy sau là "thùy bức xạ mà trục của nó tạo mộtgóc xấp xỉ 180 độ so với thùy chính Thường thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theohướng ngược với thùy chính Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng khôngmong muốn, và chúng phải được tối thiểu hóa Thùy bên thường là thùy lớn nhấttrong các thùy phụ Cấp của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suấttheo hướng của thùy đó với mật độ công suất của thùy chính Tỉ số này được gọi là tỉ

lệ thùy bên hay cấp thùy bên

Hình 1.5 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính [1]

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten

(b) Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó

1.2.2.5 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin qua môi trường vô tuyếnhay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác Đại lượng được sử dụng để mô tảnăng lượng kết hợp với sóng điện từ là vector Poynting tức thời được định nghĩa nhưsau:

Trong đó: W là vector Poynting tức thời (W/m );

E là cường độ điện trường tức thời (V/m);

H là cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách tích phânthành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó Phươngtrình là:

S

Trong đó:

P là tổng công suất tức thời (W);

n là vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt;

da là vi phân diện tích của bề mặt (m )

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trungbình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ.Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng e j t , ta định nghĩa các trường

phức E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H bởi công thức:

Poynting trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viếtlại là:

Thành phần một phần hai xuất hiện trong (1.5) và (1.6) bởi vì các trường E và H

tính theo biên độ Dựa trên định nghĩa (1.6), công suất trung bình bức xạ bởi anten(công suất bức xạ) có thể được định nghĩa là:

E E  là các thành phần điện trường trong trường xa của anten.

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ, như đượccho bởi (1.8) trên toàn góc đặc 4 do đó:

2

0 0 .sin

rad S

P    Ud     U    d d (1.9)

Ở đây d,sin  d d là một vi phân góc đặc

1.2.2.7 Hệ số định hướng

Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độbức xạ theo một hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả cáchướng Cường đồ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho4 Nếu hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại đượcchọn”

Đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính bằng với

tỉ lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ củamột nguồn đẳng hướng U 0



Trong đó : D là hướng tính (không có thứ nguyên);

D là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên);0

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

U max là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc);

U là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc);0

Prad là tổng công suất bức xạ (W)

Với nguồn đẳng hướng, hiển nhiên từ (1.10) hay (1.10a) ta nhận thấy rằnghướng tính bằng 1 khi U, U max và U bằng nhau.0

Với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ sốđịnh hướng riêng, theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước, là tỉ lệ củacường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức

xạ trung bình trên tất cả các hướng Với định nghĩa này, thì theo một hướng chotrước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng riêng” Trong hệ tọa

độ cầu, hướng tính cực đại D với các thành phần tọa độ 0  và  của anten có thểđược viết là:

0

Trong đó hệ số định hướng riêng Dθ và D được biểu diễn bởi:

4

rad rad

U D

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc ;

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc ;

P radlà công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào  ;

P rad là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào 

1.2.2.8 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ sốtăng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính toánhiệu suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ số địnhhướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ củaanten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường làanten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặtvào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổnhao)

Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào antenchia cho 4 (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạbằng công suất đặt vào anten)

 , 

4

in

U G

Trong đó: P là tổng công suất đưa vào anten; in

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần truờng Eθ;

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường E

1.2.2.9 Băng thông

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số màtrong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định” Băng thông có thểđược xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần sốcộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản đồ, độrộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ)đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần sốtrên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được Ví

dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới

max

min

f BW

f

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

1.2.2.10 Phân cực

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “làphân cực của sóng được truyền đi bởi anten Chú ý: khi không đề cập tới hướngnào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại” Sự phâncực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời, vàhướng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng

Phân cực phân thành 3 loại: thẳng, tròn và ellip Nếu đầu mút vector điệntrường ở một điểm trong không gian luôn hướng theo một đường thẳng, trường nàyđược gọi là phân cực tuyến tính Tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra làmột elip, và trường được gọi là phân cực ellip Phân cực tuyến tính và tròn là truờng

hợp đặc biệt của phân cực elip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kimđồng hồ gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ gọi là phân cực trái.

Trường tức thời của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm trục z, cóthể được biểu diễn như sau:

y x

n n

giữa 2 thành phần không là bội của

y x

n n

_min _

2 1

Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “trở kháng của anten tại điểm đầu

vào của nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng của điện trường so với từ trường ở một điểm” Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp

trên dòng điện ở đầu vào này, không có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

Z là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm).

Nói chung, thành phần điện trở trong (1.34) bao gồm 2 thành phần là:

1.3 Anten vi dải

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t <<

λ0, λ0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rấtnhỏ ( h << λ0, thường thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0)

Mặt bức xạ của anten vi dải được thiết kế để có đồ thị bức xạ cực đại Điều nàyđược thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trường bức xạ ở vùng khônggian bên dưới patch Bức xạ end-fire cũng có thể thực hiện được bằng cách lựa chọnđúng mode hoạt động Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thường được sửdụng trong khoảng λ0/3 < L< λ0/2 Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi mộtlớp điện môi nền như hình 1.6.

Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng

số điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2< r < 12 Những lớp điện môiđược sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi củachúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thônglớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kíchthước các phần tử lớn hơn Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong khônggian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Nền mỏng với hằng số điện môi lớnhơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giớihạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồngthời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên vì sự mất mát lớn hơn,dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn

1.3.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác.Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông, hìnhtròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên

Tất cả anten vi dải được chia làm bốn loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole

vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải [2]

Hình 1.7 Các dạng anten vi dải thông dụng

Anten patch vi dải

Một anten bức xạ vi dải bao gồm một mặt bức xạ dẫn điện dưới dạng hìnhhọc phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đấtnằm trên mặt phẳng còn lại của đế Anten mặt bức xạ vi dải có nhiều dạng khácnhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt độnggiống như một dipole Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hìnhvuông và hình tròn là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi

Dipole vi dải

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưngchỉ khác nhau tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bướcsóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dảigiống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức

xạ phân cực chéo thì chúng hầu như khác nhau Anten dipole vi dải thì thích hợpvới các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tươngđối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hình cấpnguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải

Printed Slot Antenna

Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất củamột đế được nối đất Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như là: hình chữnhật, hình tròn, hình nến, Anten loại này bức xạ theo hai hướng nghĩa là chúng bức

xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụngmột mặt phản xạ ở một phía của khe

Anten vi dải

Anten vi dải được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau haymột đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE.Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng đểtránh hiện tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế để hướngbúp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire

1.3.2 Đặc tính của anten vi dải

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thốngkhác Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ