ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
#" NGUYỄN THANH THÁI

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI
Ở TẦN SỐ 900, 1800 MHz

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT)
MÃ SỐ: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH VẬT LÝ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ HỮU PHÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI 3
1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC 3
1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 4
1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE 6
1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN 7
1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 7
1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG 9
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 11
2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 11
2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 12
2.1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 15
2.1.3 KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 20
2.1.4. TỔNG TRỞ NGÕ VÀO CỦA ANTEN VI DẢI 22
2.2 MÔ HÌNH HỐC CỘNG HƯỞNG 27
2.2.1 ĐẶC TÍNH TRƯỜNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG TƯƠNG ĐƯƠNG 27
2.2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN VI DẢI 33
2.3 CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA ANTEN VI DẢI 37
2.3.1 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG 37 ii
2.3.2 ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SÓNG 39
2.3.3 SUY HAO VÀ HỆ SỐ PHẨM CHẤT Q 40
2.3.4 HIỆU SUẤT BỨC XẠ 42
2.3.5 BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ LỢI 42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ V À M Ô PH ỎNG 44
3.1. GIỚI THIỆU 44 U
3.2. LỰA CHỌN LỚP ĐIỆN MÔI 47
3.3. LỰA CHỌN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG (TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG) 51
3.4. TÍNH CHIỀU RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 51

4.3.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 79
4.3.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 80
4.3.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 80
4.3.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 82
4.3.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 83
4.3.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 84
4.3.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 85
4.3.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 87
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90
KẾT LUẬN 90
HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang
TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang
TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang
MOM Moment Of Method Phương pháp moment
FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn
AF Array Factor Hệ số dãy
2D Two Dimensional Hai chiều
3D Three Dimensional Ba chiều
VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng
BW Bandwidth Băng thông
Hình 3.2 Giao di ện chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 46 vi
Hình 3.3 Anten vi dải với đường cấp nguồn
4/
λ
56
Hình 3.4 Anten vi dải với đường cấp nguồn đặt lệch khỏi điểm giữa 58
Hình 3.5 Anten vi dải với kỹ thuật cấp nguồn inset-feed 59
Hình 3.6 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 61
Hình 3.7 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 61
Hình 3.8 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 62
Hình 3.9 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 62
Hình 4.1 Cấu trúc của anten vi dải 900 MHz dùng trong mô phỏng 68
Hình 4.2 Đồ thị thông số S của anten vi dải 900 MHz 68
Hình 4.3 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 900 MHz 69
Hình 4.4 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900 MHz với
φ
= 0
0
70
Hình 4.5 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900MHz với
φ
= 90
0
70
Hình 4.6 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 900 MHz trong toạ độ xyz 71
Hình 4.7 Độ lợi của anten vi dải 900 MHz 72
Hình 4.8 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 900 MHz 73

Hình 4.27 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 1800 MHz 89
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1 Các đặc tính của một số loại vật liệu điện môi 49
Bảng 2 Các loại vật liệu điện môi thông dụng dùng trong thiết kế anten vi dải. 50
Bảng 3 Chiều rộng của anten vi dải hình chữ nhật 51
Bảng 4 Hằng số điện môi hiệu dụng 52
Bảng 5 Chiều dài của anten vi dải 53
Bảng 6 Phần mở rộng chiều dài của anten vi dải 54
Bảng 7 Chiều dài của anten vi dải 54
Bảng 8 Kích thước của mặt phẳng đất 55
Bảng 9 Độ rộng đường truyền vi dải
4/
λ
57
Bảng 10 Khoảng độ lệch z của đường truyền vi dải so với anten 59
Bảng 11 Vị trí của inset-feed 60
Bảng 12 Độ định hướng, độ lợi và hiệu suất của anten 63
Bảng 13 So sánh kết quả mô phỏng trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải
và phần mềm IE3D 77
Bảng 14 So sánh kết quả mô phỏng anten trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten
vi dải và phần mềm IE3D 88

x
phương pháp như sau: phương pháp moment (MoM), phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD)…Trong các kỹ thuật
phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền sóng là đơn giản nhất nhưng độ chính
xác không cao. Mô hình hốc cộng hưởng chính xác hơn nhưng cũng khó áp dụng cho các
anten có hiệu ứng ghép cặp. Mô hình toàn sóng là chính xác nhất, có khả năng phân tích
nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng rất phức tạp. Nó đòi hỏi thời gian tính toán lâu
do đó mô hình này thường được áp dụng trong các phần mềm thương mại. Tuy nhiên, mô
hình toàn sóng lại cho ít hiểu biết về vật lý hơn mô hình đường truyền sóng và mô hình
hốc cộng hưởng. Mặc dù hai mô hình này cho kết quả kém chính xác hơn.
Hiện nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về anten vi dải như: mô phỏng truyền
sóng điện từ bằng phương pháp FDTD – Áp dụng khảo sát anten vi dải và mạch lọc ở
siêu tần của Phạm Ngọc Sơn (Trường ĐH KHTN TP HCM), phân tích anten vi dải của
Hà Huy Hùng (Trường ĐH BK TPHCM), sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi
dải của Nguyễn Chương Đỉnh (Trường ĐH BK TPHCM), thiết kế thử nghiệm anten vi
dải của Vũ Đình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú (Trường ĐH BK
TPHCM) Tuy nhiên, các đề tài này chủ yếu áp dụng phương pháp FDTD trong mô
phỏng anten vi dải hình chữ nhật. Nhược điểm của phương pháp này là phải biết trước
kích thước vật lý của anten. Do đó, đề tài của tác giả sẽ tập trung nghiên cứu mô hình
đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng để áp dụng trong thiết kế và mô phỏng
anten vi dải hình chữ nhật. Hai mô hình này tương đối đơn giản nhưng có khả năng tính
toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ nhật.
Nhiệm vụ của đề tài là phải tính toán thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ
nhật dựa vào hai mô hình này. Tuy nhiên, để kiểm chứng kết quả mô phỏng được đề tài
sẽ sử dụng thêm một phần mềm thương mại IE3D. Phần mềm này ứng dụng phương
pháp momment trong mô hình toàn sóng để tính trường bức xạ của anten vi dải.
Đề tài được thực hiện dựa trên sự trợ giúp của phần mềm Matlab, phiên bản 7.0.
Nội dung lý thuyết của đề tài được trích dẫn dựa trên nhiều nguồn tài liệu sách báo khác


1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI
Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ những
năm 1970, mặc dù những thiết kế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ những
năm 1950. Ngày nay, anten vi dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là trong
lĩnh vực hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây
là loại anten có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc đơn giản, rẻ
tiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in. Ngoài ra, anten loại này còn có sự
linh hoạt về tần số cộng hưởng, khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn
đơn giản, các đường cấp nguồn và các mạch phối hợp trở kháng có thể thực hiện đồng
thời cùng với việc chế tạo anten.
Tuy nhiên, anten dạng này cũng có một số nhược điểm như: hiệu xuất thấp (do suy
hao của điện môi và điện dẫn), khả năng tích trữ công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn
nuôi (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải…), băng thông hẹp (khoảng một vài phần
trăm), hầu hết đều bức xạ trong nữa không gian phía trên mặt phẳng đất, một số loại có
độ lợi thấp…
Anten vi dải được ứng dụng trong dải tần GHz (f > 0.5 GHz). Đối với những tần
số thấp hơn thì kích thước của anten trở nên quá lớn.
1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI
Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ và
được chế tạo trên một bản mạch in. Thực chất anten vi dải là một dạng anten có kết cấu
bức xạ kiểu khe.
Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch)
được đặt trên một lớp điện môi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiếp điện. Cấu 2
trúc điển hình của một phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật được cho trong hình
1.1


λ
< h
< 0.1
0
λ
), hằng số điện môi
ε
thường trong khoảng (2.2 <
ε
< 12). Lớp điện môi dày với
hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng, suy hao
do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn. Những vật liệu có
hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 và lớn hơn 12 thường không phổ biến trong những thiết kế
thương mại. 3
Ngoài ra anten vi dải còn có các hình dạng khác như: hình vuông, hình tròn, hình
tam giác, hình vành khăn, hình ellip …được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI
Có nhiều phương pháp cấp nguồn (tiếp điện) hay truyền năng lượng điện từ cho
anten vi dải. Bốn phương pháp phổ biến nhất là: cấp nguồn bằng đường truyền vi dải, cấp
nguồn bằng probe đồng trục, cấp nguồn bằng phương pháp ghép gần, cấp nguồn bằng
phương pháp ghép khe.
1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC
Probe đồng trục là một kỹ thuật rất phổ biến thường được dùng để cấp nguồn cho
anten vi dải. Một dây dẫn điện bên trong đầu nối đồng trục được kéo dài xuyên qua lớp
điện môi và được hàn với bản kim loại bức xạ phía trên, còn phần bên ngoài đầu nối được

một lớp điện môi. Để phối hợp trở kháng có thể sử dụng kỹ thuật đường truyền một phần
tư bước sóng (
4/
λ
- quarterwave line), đặt lệch vị trí của đường cấp tín hiệu so với điểm
trung tâm (offset feed line) hay cắt sâu vào chiều rộng của bản kim loại một đoạn (inset
feed line) như hình 1.5. Các kỹ thuật này rất dễ chế tạo và sản xuất cũng như dễ dàng
trong việc phối hợp trở kháng. Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm gia tăng sóng bề mặt,
những bức xạ không mong muốn và ảnh hưởng đến băng thông. Ngoài ra chúng ta có thể
cấp nguồn cho anten vi dải bằng các kỹ thuật không tiếp xúc để hạn chế những vấn đề
này. a. Quarterwave feed line b. Inset feed line

c. Offset feed line
Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải
6
1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE
Trong kỹ thuật này, bản kim loại bức xạ và đường tiếp điện vi dải được đặt tách
biệt nhau bởi một mặt phẳng đất như hình 1.6. Việc ghép bản kim loại và đường cấp tín
hiệu được thực hiện thông qua một khe trong mặt phẳng đất. Khe ghép luôn đặt ở giữa và
dưới bản kim loại nhằm giảm bớt phân cực chéo do cấu trúc đối xứng. Khoảng ghép giữa
đường tiếp điện và bản kim loại được xác định bằng kích thước và vị trí của khe. Mặt
phẳng đất tách biệt so với đường truyền và bản kim loại nên bức xạ không mong muốn là
cực tiểu. Thông thường, vật liệu có hằng số điện môi lớn và dày dùng cho lớp dưới còn
vật liệu có hằng số điện môi nhỏ và mỏng hơn sử dụng ở lớp trên nhằm tối ưu bức xạ từ


8
kháng thu được giữa điểm đầu của anten và đường cấp nguồn bằng cách đặt đường cấp
nguồn lệch khỏi điểm giữa một khoảng.

Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải
Sóng cần truyền đi di chuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống
phía dưới. Sau đó nó tiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ
trở lại và phần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do. Sóng phản xạ dội lại và tiến vào
anten cho đến khi nó tắt dần như hình 1.9. Một phần năng lượng cộng hưởng này quay
trở lại nguồn, một phần bị triệt tiêu trong lớp điện môi và phần còn lại bức xạ ra không
gian tự do.
Tần số của sóng tại điểm cộng hưởng thì điện trường xung quanh các cạnh có biên
độ cực đại. Do đó, điện trường bức xạ sẽ lớn nhất tại tần số cộng hưởng.
9

Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải
1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG
HƯỞNG
Khi áp sóng có bước sóng sắp sỉ một nữa chiều dài của anten thì anten vi dải cộng
hưởng ở nhiều sóng
2/
λ
đó là:
λ
,
2/3

Do đó, tần số cộng hưởng của anten được xác định như sau : 10

r
mnmn
c
kf
επ
2
= (1.2)
Với:
222
)()(
L
n
W
m
k
mn
π
π
+=

Công thức trên tính gần đúng những tần số cộng hưởng nhưng với giả thuyết là
các bức tường từ xung quanh bản kim loại là hoàn hảo và do đó không tính đến các
trường biên ở các cạnh của anten. Vì thế, tác giả James [14] đã đề xuất một công thức cải
tiến như sau :


⎞
⎜
⎝
⎛
++
+
+
−
+=Δ 88.1ln758.0
1)1(164.0
882.0
2
h
W
W
h
r
r
r
r
πε
ε
ε
ε
(1.4)

()
⎟
⎠
⎞

=
h
W
FW
rr
r
2
1
2
1
εε
ε
(1.6)

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
>
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
≤

h
a
a
h
h
a
h
A
a
h
h
a
F

11
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH
ANTEN VI DẢI
Các mô hình tương đương dùng trong phân tích anten vi dải nhằm mục đích giảm
bớt các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung
cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải. Các mô hình này có khả năng dự đoán
trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào,
băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten…
Trong thực tế để đánh giá hoạt động của anten vi dải có hai mô hình phổ biến sau:
mô hình đường truyền vi dải, mô hình hốc cộng hưởng. Ngoài ra còn có các phương pháp
khác phân tích toàn sóng anten vi dải như: phương pháp moment (MoM), phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian
(FDTD)…Trong các kỹ thuật phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền vi dải là

eff
> L.
2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG
Khi kích thước của anten là hữu hạn dọc theo chiều dài và chiều rộng thì trường
bức xạ ở cạnh của anten chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng đường biên. Điều này được minh
hoạ trong hình 2.2, hai khe bức xạ của anten vi dải chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đường
biên dọc theo chiều dài. Hiệu ứng đường biên là một hàm phụ thuộc vào kích thước của
bản kim loại và chiều cao của lớp điện môi. Đối với mặt phẳng chính E (mặt phẳng xy)
thì hiệu ứng đường biên là một hàm phụ thuộc chiều dài L của bản kim loại, chiều cao h
của lớp nền (L/h) và hằng số điện môi
r
ε
của lớp nền. Khi anten vi dải có
1/
<
<hL
thì
hiệu ứng đường biên giảm. Tuy nhiên, hiệu ứng đường biên này cũng phải được tính đến
vì nó ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten. Hiệu ứng đường biên này được áp
dụng tương tự đối với chiều rộng của anten vi dải.