Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Mục lục
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 1
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Lời nói đầu
Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong các thập kỉ gần
đây. Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu nhận hoặc trao đổi thông
tin với bất kì nơi nào trên quả đất. Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng dịch vụ, không
những khai thác dịch vụ dân sự mà cả các dịch vụ phục vụ quốc phòng, an ninh, hàng
không, hàng hải, khai thác thăm dò địa chất,v.v… Ngày nay, các hệ thống, các mạng
thông tin vệ tinh đang được kết nối với mạng cố định và di động mặt đất làm cho khả
năng truyền thông ngày càng phong phú.
Một trong những phân hệ quan trọng nhất trên vệ tinh, đó là phân hệ anten. Các
anten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép: thu đường lên và phát đường xuống. Nguyên
lý hoạt động của anten trong các hệ thống viễn thông nói chung không có gì khác nhau.
Phụ thuộc vào các yêu cầu phát và thu sóng cụ thể mà có sự lựa chọn thiết kế thích hợp.
Dải tần công tác của thông tin vệ tinh là thuộc sóng siêu cao, do đó, tất cả các loại anten
sóng siêu cao về nguyên lý có thể sử dụng trong thông tin vệ tinh. Các loại anten thường
được sử dụng trên vệ tinh thường gặp là dạng khe bức xạ (loa), anten có mặt phản xạ,
anten thấu kính hoặc anten dàn.
Với yêu cầu “thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ
tinh”, ở đây em lựa chọn thiết kế anten vi dải với tấn số trung tâm là 5 GHz. Phần mềm
sử dụng để thiết kế là CST Microwave Studio. Nội dung bài báo cáo gồm 4 chương:
- Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten
- Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh
- Chương 3: Anten vi dải
- Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã định hướng cho em hoàn
thành bài tập lớn này bằng kiến thức và bài giảng trên lớp của thầy. Tuy nhiên, bài báo
cáo và bài tập của em không tránh khỏi những sai xót, khuyết thiếu. Em mong nhận
được sự đóng góp của thầy để bài tập trở lên hoàn thiện hơn.

các hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm như hệ thống thông tin vi ba, thông tin vệ
tinh, rađa yêu cầu anten anten bức xạ với tính hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập
trung vào một góc rất hẹp trong không gian.
Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn thuần là chuyển đổi sóng điện từ ràng
buộc thành sóng điện từ tự do và ngược lại mà phải bức xạ sóng điện từ theo những
hướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật đề ra.
1.2 Sự bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ một 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.
Hình 1.2. Quá trình bức xạ sóng điện từ
Ví dụ xét một mạch dao động L, C như chỉ ra trong hình 1.2, nếu đặt vào một sức
điện động biến đổi thì giữa hai má tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn không gian
trong lòng cuộn dây sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng trường điện từ này hầu
như không bức xạ ra bên ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử của mạch. Dòng điện
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 4
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ,
nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ
trường tập trung chủ yếu trong lòng cuộn dây. Năng lượng của toàn bộ hệ thống sẽ được
bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn cảm và tổn hao trong chất
điện môi trong tụ điện.
Nếu mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như chỉ trong hình 1.2b thì dòng điện
dịch được biểu thị trùng với đường sức điện trường, sẽ không dịch chuyển trong khoảng
không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan toả ra môi trường bên ngoài và có
thể truyền tới những điểm khá xa nguồn (nguồn sinh ra điện trường chính là các điện
tích trên hai má tụ điện). Tiếp tục mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như hình
1.2c thì dòng điện dịch sẽ lan toả càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ
lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên được truyền lan với
vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ tự khép kín và

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:
Trong trường hợp tổng quát, hàm hướng tính là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành
phần theo θ và φ
Hàm hướng tính biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độ
trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính là biên độ
của hàm hướng tính phức (cụ thểhơn là modun của hàm hướng tính phức).
Để đơn giản cho việc khảo sát hướng tính của một anten cũng như thiết lập và phân
tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm số biểu thị
biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ trường ở hướng cực
đại.
Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.
• Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 6
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hàm hướng tính cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn cảm
nhận được bằng trực thị hướng tính của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ thị phương
hướng được vẽ bởi hàm hướng tính.
Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc
công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố
định (tính từ anten). Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có
dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông thường, đồ thị
phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều. Đó là đồ thị hướng tính hai
chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễ
dàng trên giấy (hình 1.3).
Hình 1.3 Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực
Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm hướng tính biên độ chuẩn
hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten. Nó cho phép so sánh đồ
thị phương hướng của các anten khác nhau.
Từ đồ thị phương hướng trên hình 1.3 nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi
theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau. Vì vậy để đánh giá dạng của đồ

Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng
đặc trưng của nó là hiệu suất làm việc. Hiệu suất của anten, , chính là tỷ số giữa công
suất bức xạ, và công suất máy phát đưa vào anten,
Hay:
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten. Thông
thường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1.
• Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích của anten
Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng. Để biểu
thị hướng tính của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóng người ta đưa vào
hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số tăng ích (hay độ lợi). Các hệ
số đó cho phép đánh giá tính phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm
xa nào đó của trường bức xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý
tưởng (hoặc anten chuẩn). Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại
anten thích hợp cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng.
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóng điện
từ đồng đều ở tất cả các hướng. Anten lý tưởng được xem như nguồn bức xạ vô hướng
hoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
- Hệ số hướng tính
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 9
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ
của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với
khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten là như nhau.
Trong đó:
là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng với khoảng cách
và là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ,φ), khoảng cách và
mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
- Hệ số tăng ích của anten
Hệ số tăng ích của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của
anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với

phụ thuộc vào năng lượng trường điện từ do phía phát tạo ra tại nơi đặt anten thu và khả
năng làm việc của anten thu. Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi một
tham số gọi là diện tích hiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten. Nếu anten là
anten bức xạ mặt thì công suất thu được tại anten sẽ là tích của mật độ thông lượng công
suất với diện tích hiệu dụng của anten thu.
Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:
Trong đó là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, là hiệu suất làm việc
của anten.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 11
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số tăng ích của anten thu được biểu thị bởi
biểu thức
Trong đó là diện tích hiệu dụng của anten ()
là hệ số tăng ích của anten thu
là bước sóng công tác (m)
• Dải tần công tác
Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mà trong khoảng tần
số đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm vi cho phép.
Thường dải tần công tác của anten được phân làm bốn nhóm:
- Anten dải hẹp
tức
- Anten dải tần tương đối rộng
tức
- Anten dải rộng

- Anten dải rất rộng

Trong đó và , , là tần số trung tâm, tần số cực đại và cực tiểu của dải tần.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 12
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh

Giả thiết rằng phương ngang và đứng được coi là trục x và y. Trường điện phân
cực đứng có thể được trình bày như sau:
trong đó là vectơ đơn vị trong phương đứng và là giá trị đỉnh hay đại lượng của trường
điện. Tương tự như vậy, sóng phân cực ngang có thể được trình bày như sau:
trong đó là vectơ đơn vị theo phương ngang và là đại lượng của trường điện trong
phương này. Cả hai trường này đều vẽ nên các đường thẳng. Bây giờ ta xét trường hợp
khi cả hai trường đều có mặt đồng thời. Chúng sẽ cộng với nhau theo vectơ và trường
tổng sẽ là vectơ hợp với trục ngang một góc được xác dịnh như sau:
Bây giờ ta đi xét trường hợp trong đó hai trường có biên độ bằng nhau (ký hiệu là
E) nhưng một trường nhanh pha hơn . Các phương trình thể hiện chúng trong trường hợp
này như sau:
Áp dụng phương trình (2.3) cho trường hợp này ta được α=ωt. Biên độ vectơ tổng
là E. Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn và sóng tổng hợp được gọi là
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 14
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
phân cực tròn. Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơ
điện nhưng điều này đòi hỏi ta phải quan sát cả chiều quay của vectơ. Theo định nghĩa
của IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC: right-hand circular) là phân cực quay theo
chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng, còn phân cực tròn tay trái
(LHC: left-hand circular) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo
phương truyền sóng. Các phân cực LHC và RHC trực giao với nhau. Phương truyền
sóng dọc theo trục z dương.
Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có thể có phân cực elip. Điều này
xảy ra khi hai thành phần tuyến tính là:
Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ số giữa trục chính và trục phụ của elip. Phân cực
elip trực giao xảy ra khi một sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng phương quay ngược
chiều.
Các đường truyền thông tin vệ tinh sửdụng phân cực tuyến tính và phân cực tròn,
nhưng sự giảm cấp truyền dẫn có thể làm thay đổi phân cực này thành phân cực elip.
2.2 Các anten loa

Loa vách gấp nếp cho phép khắc phục phần nào các nhược điểm nói trên. Thiết diện
của anten loa gấp nếp được cho ở hình 2.3b. Trường điện tại góc mở của loa gấp nếp
được cho ở hình 2.3c.
• Các anten loa pyramid
Anten loa pyramid (hình 2.4) được thiết kế trước hết cho phân cực tuyến tính. Tổng
quát nó có thiết diện ngang a×b và làm việc ở chế độ ống dẫn sóng . Độ rộng búp của
anten pyramid khác nhau ở mặt E và mặt H, nhưng có thể chọn kích thước mặt mở để
làm cho chúng bằng nhau. Loa pyramid có thể làm việc ở chế độ phân cực đứng và phân
cực ngang đồng thời để được hai phân cực tuyến tính.
Hình 2.4 Loa pyramid
2.3 Anten parabol
• Bộ phản xạ parabol
Các bộ phản xạ parabol được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh để nâng cao
khuyếch đại anten. Bộ phản xạ đảm bảo cơ chế hội tụ để tập trung năng lượng vào một
phương cho trước. Dạng phản xạ parabol thường được sử dụng là dạng mặt mở hình
tròn. Đây là dạng thường gặp trong các hệ thống thu tín hiệu TV từ vệ tinh gia đình. Cấu
hình mặt mở tròn được gọi là bộ phản xạ parabol tròn xoay.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 17
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Tính chất chính của bộ phản xạ parabol tròn xoay là tính chất hội tụ. Giống như đối
với ánh sáng trong đó các tia khi đập lên bộ phản xạ sẽ hội tụ vào một điểm duy nhất
được gọi là tiêu điểm và ngược lại khi các tia được phát đi từ tiêu điểm sẽ được phản xạ
thành các tia song song.
• Tiếp sóng lệch tâm
Hình 2.5a cho thấy bộ phản xạ parabol tròn xoay với feeder loa đặt tại tiêu điểm.
Đối với trường hợp này mẫu phát xạ của loa lệch tâm để chiếu xạ phần trên của bộ phản
xạ. Loa tiếp sóng và phần giá đỡ nó được đặt ở vùng cách xa búp chính vì thế không gây
che chắn. Với bố trí tiếp sóng tại tâm được trình bày ở phần trên, sự che tối thường dẫn
đến giảm 10% hiệu suất và tăng phát xạ ở các búp bên. Bố trí lệch tâm tránh được điều
này. Hình 2.5b cho thấy một mô hình của anten lệch tâm để sử dụng cho vệ tinh Olypius

về một số hướng nhất định và loại trừ sự phát xạ ở các hướng khác. Hầu hết các dàn
anten sử dụng trong thông tin vệ tinh là dàn loa. Cũng có thể sử dụng các dàn làm các
feeder cho các anten phản xạ như dàn loa ở hình 2.7.
Hình 2.7 Anten lệch trục Gregorian
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 20
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Chương 3: Anten vi dải
3.1 Giới thiệu
Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước nhỏ, dải tần rộng thực chất là một
kết cấu bức xạ kiểu khe. Điểm mạnh của loại anten này là cấu trúc ổn định, và nhất là
phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các
IC chuyên dụng. Ngoài ra anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten, cho
phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý
số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong hệ thống CDMA.
Hình dạng thật của một loại anten vi dải:
Hình 3.1 Anten vi dải
3.2 Đặc tính của anten vi dải
• Cấu trúc anten vi dải
Về cấu tạo, anten vi dải gồm các phần chính là bản mặt kim loại rất mỏng (bề dày
t<<λ
0
, với λ
0
-bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất
nhỏ (thường 0,003λ
0
< h <0,05λ
0
), lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp
điện.

0
E
0
.

sinθ.cos(k
0
L
E
sinθ sinΦ) (3.3)
Với :
X = k
0
h sinθ cosΦ (3.4)
Z = k
0
cosθ (3.5)
E
Φ
(r, θ, Φ) = E
θ0
.[a
Φ1
(2cos(ka.sinθ cosΦ))+a
Φ3
(2cos(ka.sinθ sinΦ))] = F
Φ
(θ,
Φ) (3.6)
Với : a = ; E

3.5 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải
Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt
phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 24
Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ $nh
Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần. Việc cung cấp năng
lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của
patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất. Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình
thành do các lực tương tác giữa các điện tử cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một
số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của
patch. Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vecto mật
độ dòng mặt dưới và vecto mật độ dòng mặt .
Hình 3.5 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật
Do hầu hết các anten tỷ số là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế và
hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch bề mặt. Và như thế, chỉ
có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm
hình thành một trường nhỏ có nhiều tiếp tuyến với các rìa của patch. Do vậy, để đơn
giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp
tuyến này có thể thành lập các bức tường xung quanh các chu vi của patch. Các giả định
này càng hợp lí hơn trong trường hợp để điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi
lớn. Tương tự như trường hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so
với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không
đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt của patch. Từ các điều kiện của trường
điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng với
các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với bề mặt
của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp tuyến gần
như bằng không). Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ có các mode TM
là có thể truyền trong hốc cộng hưởng.
Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên – Lớp KSTN – ĐTVT – K54 25