Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNGVÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ
THUẬT CỦA ANTEN VI DẢI
I.MỤC ĐÍCH
Giúp cho sinh viên hiểu được vai trò,vị trí của anten trong các hệ thống
truyền thông vô tuyến. Sinh viên được tiến hành mô phỏng khảo sát các thông số
kỹ thuật của anten bằng phần mềm mô phỏng HFSS, tính toán thiết kế và chế tạo
anten vi dải hoạt động ở dải tần yêu cầu, sử dụng máy phân tích mạng (network
analyzer) để đo đạc khảo sát các thông số kỹ thuật của một số anten mẫu.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền
thông không dây. Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ
định hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại.
Anten và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạch điện
tử và không gian tự do, feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử.
Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận
năng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian. Ngoài việc phối hợp
trở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng về độ lợi và phương hướng bức
xạ.
Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông
vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với
độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi
ba, thông tin vệ tinh còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như
anten Yagi,anten dây, và đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ
của các đầu cuối di động thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và
không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng.
Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước rất nhỏ có cấu tạo gồm một
lớp kim loại là mặt bức xạ, một lớp kim loại khác gọi là mặt đất (màn chắn kim
loại ), một lớp điện môi giữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp điện. Anten vi
dải có nhiều hình dạng như hình tròn,hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật
trong đó, loại phổ biến nhất có kết cấu hình chữ nhật vì có hướng tính, độ lợi cao

Trong đó:
W là chiều rộng mặt bức xạ;
L là chiều dài mặt bức xạ;
h là bề dày của lớp điện môi;
Wg là chiều rộng của mặt phẳng đất;
Lg là chiều dài của mặt phẳng đất.
III. TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ
THUẬT CỦA ANTEN
Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt bức xạ, mặt phẳng đất và lớp
điện môi ở giữa 2 mặt kim loại trên. Kích thước của mặt bức xạ, chiều cao và hệ
số điện môi là những thông số quyết định tần số cộng hưởng của anten, nên chúng
phải được lựa chọn và tính toán chính xác.
Chọn vật liệu chế tạo anten là tấm mạch in hai mặt có hệ số điện môi và độ
dày là: ε
r
= 4.5; h = 1.6 mm;
Tính toán kích thước của anten vi dải làm việc ở tần số:
Giải tần GSM: f
0
= 1900 MHz
Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công thức:
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
2
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
W =
2
1
2
0

1
2
r
ε
−

1/2
1 12
w
h
−
 
+
 
 
Thay số vào ta có ε
reff
≈ 4.22
Độ dài hiệu dụng của anten được xác định theo công thức:
L
eff
≈
e
2
o r ff
c
f
ε
Thay số vào ta có L
eff

g
) được xác định theo công thức:
W
g
≈ 6h + W
W
g
≈ 6x1.6 + 48 ≈ 58(mm)
L
g
≈ 6h + L
L
g
≈ 6x1.6 +36 ≈46 (mm)
3.1. Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải
a. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (hình 1)
Trong phương pháp tiếp điện cho anten vi dải bằng cáp đồng trục thì lõi cáp
được hàn tiếp xúc với mặt bức xạ, vỏ cáp tiếp xúc với mặt phẳng đất.
Vị trí tiếp điện tốt nhất được tính toán và xác định có tọa độ ( L/4, W/2)
Phương pháp tiếp điện này có các ưu điểm là dễ thực hiện và không có bức
xạ phụ.
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
3
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
b. Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Trong kỷ thuật tiếp điện này, một dải dẫn được kết nối trực tiếp đến cạnh của
mặt bức xạ anten vi dải. Dải dẫn được thiết kế trên cùng bề mặt với mặt bức xạ.
Chiều rộng của dải dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của mặt bức xạ.
Vị trí tiếp điện có tọa độ (L/2, 0).

 
 
Trong đó: B =
0
377
2
r
Z
ε
Π
= 5.58
Mối quan hệ giữa chiều dài và chiều rộng: L
f
/W
f
= 3.96
IV. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HFSS
HFSS ( Hight Frequency Structure Simulator ) là phần mềm mô phỏng
trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ
thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của HFSS là có dao diện người dùng đồ
họa,tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời
giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện
từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method,FEM ), kỹ thuật chia lưới
thích nghi (adaptive meshing ) và kỹ thuật đồ họa. Ansoft HFSS có thể được sử
dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: hệ số tổn hao, tần số cộng
hưởng,giản đồ hướng tính,trở kháng vào HFSS là một hệ thống mô phỏng tương
tác,trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể
tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt đối với các cấu trúc dạng cong
phức tạp. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

- Solution Frequency: nhập vào tần số cộng hưởng mong muốn
- Maximum Number of Passed: số bước lặp tối đa của mô phỏng
- Maximum Delta S Per Pass: sai số chấp nhận được, càng nhỏ càng chính
xác.
Chương trình mô phỏng sẻ chạy cho đến khi sai số tính toán nhỏ hơn hoặc
bằng delta S. Khi đó xem như mô phỏng chính xác và có hội tụ ( Converged).
Nếu chạy hết tất cả các bước lặp mà vẫn không có sai số nào nhỏ hơn delta S,
chương trình củng sẻ tự động dừng lại. Khi đó quá trình mô phỏng sẻ không hội
tụ và cho kết quả không chính xác. Muốn khắc phục ta phải tăng giá trị delta S lên
hoặc là tăng số bước lặp lên để nhận được kết quả chính xác. Tuy nhiên nếu sai số
tính ra ngay những bước lặp đầu tiên đã nhỏ hơn Delta S thì kết quả nhận được
cũng không đáng tin. Để tránh hiện tượng này ta phải giảm Delta S để tăng số
bước lặp của chương trình.
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
5
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
Thông thường nếu chương trình chạy nhiều hơn 5 bước lặp và có hội tụ thì sẻ
nhận được kết quả chính xác.
 Khai báo vùng tần số khảo sát ( xung quanh tần số trung tâm)
Vào HFSS \ Analysis Setup \ Add Sweep
 Sau khi thực hiện tất cả công đoạn trên, ta vào HFSS \ Validation check để
kiểm tra lỗi thiết kế. Nếu không có lỗi, vào HFSS \ Analyze và bắt đầu chạy
mô phỏng.
 Hiển thị các kết quả mô phỏng
- vào HFSS \ Results \ …
V. CÁC THÔNG SỐ ĐỂ MÔ PHỎNG TẦN SỐ 1900Ghz
5.1. Thiết kế ăng ten vi dải
- Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS11 => HFSS11
- Thiết lập thông số:

- Thiết kế lớp line => box ( line)
Thông số thiết kế lớp Line
- Thiết kế điểm cấp nguồn cho đường vi dải
Để vẽ nguồn ta vào Draw=>Rectangle (vẽ hình chữ nhật vuông góc và tiếp xúc
mặt ngoài Feed Line)
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
9
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
Thông số thiết kế lớp Nguồn
Thiết lập cấp điện: HFSS=>Excitations=>Asign=>Lumped Port (Nếu thấy Feed
Line ở bên mục Conducting Objects có nghĩa đã có tiếp điểm, nhấn Ok để cấp
nguồn)
- Thiết kế lớp không gian: Draw => box ( không gian)
+ Thông số thiết kế lớp Không gian
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
10
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
+ mặt bức xạ: Kích chọn lần lượt 4 mặt bên và mặt trên của mặt bức xạ rồi
thực hiện: HFSS=> Boundaries=>Assign=> Radiation…
+ Thiết lập hướng bức xạ: HFSS=>Radiation=>Insert Far Field
Setup=>Infinte=>Ok
+ Thiết lập tần số làm việc: HFSS=> Analysis Setup=>Add Solution Setup
ở đây ta thiết lập tần số làm việc như đã chọn là : 1900 MHZAdd Frequency
Sweep…
Ta có Star: 1.5GHZ, Stop : 2.4 GHZ , còn Step Sto
+ Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ
Sau đó ỏ Sweep Type chọn: Fast > chọn Ok Tạo
5.3. Thông số thiết kế Ăng ten cấp nguôn băng cáp đồng trục

+ Thiết lập giới hạn tần số quét: HFSS=>Analysis Setup=>p là : 10 MHZ
Sau đó ỏ Sweep Type chọn: Fast > chọn Ok Tạo
VI . Kết quả mô phỏng
6.1. Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten vi dải tần số 900
Hình mô phỏng 3D
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
14
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
Tần số cộng hưởng:
Đồ thị smith:
Độ lợi:
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
15
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
Đánh giá về quá trình và kết quả mô phỏng:
- Độ suy hao không lớn
- Kết quả mô phỏng đạt được kết quả gần sát với tần số 900
- Hình dạng đồ thị đạt với yêu cầu đề ra
- Qua nhiều lần căn chỉnh cho thấy: với tần số khá cao là 900 thì kết quả khó
chính xác,cần tính toán tỉ mỉ, chỉnh sửa hợp lý mới có thể đạt kết quả tốt nhất
6.2. Kết quả mô phỏng thiết kế ăng ten cấp nguồn bằng cáp đồng trục tần số
1900Ghz
Hình mô phỏng 3D
Tần số cộng hưởng:
Đồ thị smith:
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
16

Ta xác định đuợc 2 điểm S11 và S12 trên đồ thị với hệ sô =9.5dB trên đồ thị
ở đây ta có tần số f1,f2 tuơng ứng là:
f1=980.352MHz
f2=961.589MHz
Băng thông đuợc tính = f1-f2=980.352-961.589 = 18.763MHz
7.7. Độ lợi:
Để tính độ lợi ta dựa vào công thức:
Gain=1/2 (Pr(dB)-Pt(dB)+20 log(d)+20log(f)-27.56)
Trong đó Pr,Pt là hệ số dB hiển thị trên máy:
pr=-14dB Pt=-22dB
d là khaỏng cách giửa 2 anten:
d=15cm
f la tần số dao động của anten:
f=900MHz
Như vậy: Gain =1/2 ( -14-(-22))+20 log(15)+20log(950)-27.56)=23.775
Giáo viên hướng dẫn: TH.S Lê Thị Kiều Nga
TH.S Nguyễn Thị Minh
19
Báo Cáo Thực Hành Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông
VIII. SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI YÊU CẦU BÀI VÀ KẾT LUẬN
Hệ số tổn hao =-13.437dB <-9.5dB (thỏa mản yêu cầu)
Hệ số sóng đứng SWR = 1.52 € (1- 2)
Trở kháng vào của anten =47.41Ω <50Ω
Tần số cộng hưởng = 20.307MHz € (2%-10%) F
Độ lợi của anten =23.775 > 3 dB
So sánh kết quả giữa thực tế và mô phỏng bằng HFSS em thấy có lệch nhưng ở
mức chấp nhận được. Điều này xảy ra có thể do trong quá trình tinh toán lấy số
liệu làm tròn và ảnh hưởng của đường Line, đường cấp điện ở mô phỏng HFSS là
lớn, trong khi yếu tố đường Line và cấp điện không làm thay đổi kết quả như
khảo sát thực tế.