TRƯỜNG …………………
KHOA………………………
[\[\

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP

Đề tài: Công nghệ Anten
1
Mục lục
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………………………. 3
TÓM TẮT NỘI DUNG …………………………………………………………… 5
CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN …………………………. 6
CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN…………………………………………… 7
1.1 Khái niệm về anten ………………………………………………………… 7
1.2 Hệ phương trình Maxwell ……………………………………………………. 7
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ………………………………… 7
1.4 Các thông số cơ bản của anten ……………………………………………… 8
1.4.1 Trở kháng vào của anten ………………………………………………. 10
1.4.2 Hiệu suất của anten ……………………………………………………. 10
1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích …………………………………… 11
1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten …………………………11
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương …………………………… 12
1.4.6 Tính phân cực của anten ……………………………………………… 13

3.4.1.4 Xây dựng mô hình CRLH 1D ………………………………… 56
3.4.2 Lý thuyết anten bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ ………………. 57
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL …………………… 61
4.1 Thiết kế anten metamaterial ………………………………………………… 61
4.2 Thực nghiệm và đo đạc …………………………………………………… 70
KẾT LUẬN CHUNG ……………………………………………………………. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………… 75 3

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động
âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát triển,
nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là
nhanh, chính xác và xa trong khi đó nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thì
không thể đáp ứng được vì khả năng hạn chế và sự rủi ro. Chính từ nhu cầu đó đã

những nhược điểm là :
 Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp
 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten
 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối
 Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp
Để cải thiện được những nhược điểm trên đã có rất nhiều cách thức như hệ
thống anten mảng (Array antenna) để tăng độ lợi cho anten, ngoài ra có thể điều
khiển được búp sóng. Ngoài ra còn có những cải thiện về vật chất cho anten một
trong những cải thiện đó là metamaterial vì nó có những đặc tính khác biệt so với
các vật liệu thông thường như có , < 0 và có mode cộng hưởng sóng ngược …
Những đặc tính đó sẽ được lần lượt giới thiệu trong luận văn
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Anh đã đinh hướng cho em làm luận văn
này, em cảm ơn thầy Thẩm Đức Phương và bạn bè đã có những góp ý và động viên
em sâu sắc. Và đặc biệt em rất chân thành cảm ơn Thạc sĩ Trần Thị Thuý Quỳnh đã
tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp . 5

TÓM TẮT NỘI DUNG



CRLH Composite Right Left Handed
FDTD Finite Difference Time Domain
LH Left-Handed
MTMs MeTaMaterials
PLH Pure Left Handed
PRH Pure Right Handed
RH Right-Handed
TLs Transmission Lines
WLAN Wireless Local Area Network

7
Thiết bị
điều chế
Máy phát

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát [1]
1.2 Hệ phương trình Maxwell
Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện
động lực học: các phương trình Maxwell.
Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà theo
thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức
ti
e


8

)cos()Re( tEeEE
ti






E
là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m)

H
là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)










i
p
1
(1.3)
(hệ số điện thẩm phức của môi trường)
ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)
µ hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
σ điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

e
J là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (
2
m
A

9


e
Hdiv 
(1.4d)
Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E,H. Trong phương trình nghiệm
nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ
trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra
trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so
với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ
điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh
từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc
với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian
của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn
cảm.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra
điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện
trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với
nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không
còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian
hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện
trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện
trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ.
Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do
được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng
buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1]

A
I
P
R  (1.6)
Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố
dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể
có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền
năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra
máy phát và đầu vào của anten.

1.4.2 Hiệu suất của anten
Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan
trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten
A

chính là tỷ số giữa công suất
bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA

A
bx
A
P
P


(1.7)
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với anten
có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó
A

PP
P





(1.10)
1.4.3 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 ta
đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại
hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của
anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất
A

= 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
tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển
từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá
trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (,) nào đó

)0(
),(
)0(
),(
),(
2
11

(
11
,

) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
E(
11
,

), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(
11
,

) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô
hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(
11
,

).
Hệ số tăng ích của anten G(,) 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 giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (,).
),(),(

DG
A
 (1.12)
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 (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định

biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị phương
hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc
bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng
0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất.
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức
xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương. Ký hiệu là EIRP
TT
GPEIRP  (W)
Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ số tăng ích
của hệ thống anten có hướng tính
Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát
cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. Công suất bức xạ đẳng hướng là công
suất đuợc bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT = 1. Nếu như
anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn.
1.4.6 Tính phân cực của anten
Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector
HE


,
có
biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xét
theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực
đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền
lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì
phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng. Trong trường hợp tổng
quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng.

0



f
f
tức là 5.11.1
min
max

f
f

- Anten dải tần rộng
45.1
min
max

f
f

- Anten dải tần rất rộng
4
min
max

f
f

Trong đó: Δf = fmax – fmin


16

Chương 2 ANTEN MẠCH DẢI 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải
Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc mạch dải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởi
Deschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vào thực
tế. Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell và Munson
[7]. Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, và đặc biệt là
khả năng 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 cho thiết bị di động, WLAN,
hệ thống anten thông minh…
2.1.1 Cấu tạo

 Anten mạch dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna), gồm các
đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của
tấm điện môi.

Hình 2.5 Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy.
19

Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải: dùng cáp đồng trục, đường mạch
dải và ghép khe [7]
 Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện.
Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm
dẫn điện. Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng
không. Có thể tính toạ độ tiếp điểm theo công thức sau:

2
W
Y
f

(2.1)

)(2 l
L
X
re
f

 (2.2)
Với
2/1

Hình 2.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp bằng đường mạch dải.
 Tiếp điện bằng ghép khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng. Ta ghép
giữa đường mạch dải 50  với trở kháng vào của anten bằng khoảng cách s.
Khoảng cách này sẽ như là thành phần điện dung C.

Hình 2.10 Tiếp điện bằng ghép khe
21 Hình 2.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải
Sóng điện từ fring off từ tấm phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản xạ trên
mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên. Trường bức xạ xảy ra chủ yếu do
trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất.

Hình 2.11 Trường bức xạ E và H của anten mạch dải.[9]
Phụ thuộc vao từng cấu trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc mạch dải
phẳng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng. Nếu cấu trúc
sử dụng như một anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng không gian.
Còn nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn
sóng. Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao không mong muốn nhưng đôi khi vẫn có những
ứng dụng sử dụng loại sóng này như leaky antenna [1].
 Sóng không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại. Những
sóng này có thể bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng cách 1/r. Trong cấu
trúc mạch dải thì sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa trên vì màn chắn kim loại
đã ngăn không cho bức xạ xuống không gian phía dưới.
22

 Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn
dẫn điện và phiến kim loại.


Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào nó cũng
có thể thu được một thành phần của tín hiệu. Điều đó là do sóng tới có góc quay biến đổi.
Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ WLAN ở môi trường truyền
sóng phức tạp.
2.3 Băng thông của anten mạch dải
Độ rộng băng thông của anten mạch dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên
mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói
cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
Độ rộng băng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày
của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng
với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thực kinh nghiệm sau [1]:








32/1
4
2
t
ff (2.4)
Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi.
Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp.
Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.10 thì
ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten.
2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải