LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại ngày nay có sự phát triển mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh
vực chính trị, quân sự, kinh tế, văn hoá và khoa học kĩ thuật là do có sự mở
rộng và giao lưu giữa các quốc gia và các nền văn hoá. Thông tin liên lạc
trở nên vô cùng quan trọng trong đời sống, nhu cầu trong tất cả các lĩnh
vực và mang tính toàn cầu. Chính những nhu cầu đó cùng với sự phát triển
của khoa học kĩ thuật đã thúc đẩy sự phát triển rất nhanh trong thông tin
liên lạc cả về chất lượng và số lượng.
Hiện nay, ở Việt Nam có 3 mạng thông tin di động GSM: Vinaphone,
MobiFone và Viettel chiếm hơn 98% thị phần các thuê bao di động. Trong
thời gian tới GSM vẫn chứng tỏ là công nghệ phù hợp cho thông tin di
động ở nước ta.
Các mạnh thông tin GSM đã hoạt động được gần 20 năm nên cơ sở
hạ tầng đã cũ và cần thay thế. Để nâng cấp chất lượng, các nhà cung cấp
dịch vụ cố gắng nâng cấp và thay thế các thiết bị trong đó có hệ thống
anten dùng cho các trạm BTS.
Thực trạng hiện nay ở Việt Nam là hầu hết các thiết bị đều nhập từ
nước ngoài, chúng ta chỉ khai thác sử dụng. Vì vậy, chúng ta không làm
chủ được công nghệ và kiểm soát được chất lượng sản phẩm. Việc nghiên
cứu, thiết kế chế tạo các thiết bị viễn thông trong đó có anten là rất cần
thiết.
Do vậy, tôi chọn đề tài “Ứng dụng chương trình phần mềm thiết kế
chế tạo anten siêu cao tần mạng GSM - 900 trên phần mềm CST”. Cấu
trúc đồ án tốt nghiệp:
Chương 1: Tổng quan về anten
Chương 2: Mạng GSM và một số loại anten sử dụng trong mạng GSM
Chương 3: Chương trình CST và thiết kế đơn chấn tử mạch dải
Chương 4: Thiết kế anten mạch dải.
1
Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu thiết kế anten băng tần
800 MHz đến 960 MHz dùng cho trạm BTS của các nhà cung cấp dịch vụ

Khi tăng dần góc mở giữa 2 má tụ (hình 1.3b) thì dòng điện dịch
sẽ không chỉ dịch chuyển giữa 2 má tụ mà một bộ phận sẽ lan toả ra
môi trường ngoài và có thể lan truyền tới những điểm cách xa tụ. Nếu
tăng góc mở lên nữa thì phần dòng dịch lan toả ra càng nhiều và tạo ra
điện trường biến thiên có biên độ lớn hơn trong khoảng không gian
bên ngoài.
1.1.2. Sự lan truyền của sóng điện từ
Nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụ điện (hình
1.4a) thì thấy rằng chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là
các điện tích trên hai má tụ.
4
Hình 1.4a - Điện trường vùng gần
Nhưng nếu xét tại một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy
rằng các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với các điện tích trên
tụ nữa mà chúng tự khép kín trong không gian, như thế có nghĩa là đã
hình thành một điện trường xoáy (hình 1.4b).
Hình 1.4b - Điện trường xoáy tại một điểm ở vùng xa.
Theo qui luật của điện trường biến thiên (được biểu thị bởi hệ
phương trình măcxoen) thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường
biến đổi, từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy, nghĩa
là đã hình thành quá trình sóng điện từ.
Điện trường biến thiên được truyền lan với vận tốc ánh sáng.
Khi đạt tới khoảng cách khá xa nguồn, chúng thoát khỏi sự liên kết
với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên hai má tụ
nữa.
1.1.3. Nguyên lý Huygen
Một trong những bài toán cơ bản của lý thuyết anten là xác định
các véctơ
E



me
ArotAdiv

−
(1.1)
grad
j
AjH
m
k
ωµ
ωε
1
+−=


em
ArotAdiv

+
(1.2)
Với
dv
r
e
JA
V
jkr
meme

được thay thế bởi việc xác định trường tạo bởi các dòng mặt tương đương
trên mặt.
1.2. Các đặc trưng cơ bản của anten
1.2.1. Bài toán chính của anten
Toàn bộ các bài toán xác định các chỉ tiêu kĩ thuật ( các tham số và
đặc trưng ) của anten có thể được chia thành 2 nhóm:
Nhóm 1: Tính toán trường ở vùng gần hay xác định các chỉ tiêu kĩ
thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như: Trở vào, hiệu suất, dải
tần công tác, công suất cực đại cho phép.
Nhóm 2: Tính toán trường ở vùng xa hay xác định các chỉ tiêu kĩ
thuật đặc trưng cho tính định hướng của anten: Đặc trưng hướng, đặc trưng
pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất bức xạ…
Tất cả các chỉ tiêu kĩ thuật của anten phù hợp với 2 nhiệm vụ cơ bản
của anten:
-Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự do phát xạ
vào không gian và ngược lại.
-Phát xạ có hướng hay thu có hướng sóng điện từ.
1.2.2. Miền phát xạ của anten
Khi nói về miền bức xạ của anten người ta thường đề cập đến miền
bức xạ tương ứng với khoảng cách của nó so với anten.
Trên hình 1.6 miền phát xạ chia làm 3 vùng:
7
Hình 1.6 - Miền phát xạ
+ Vùng I được gọi là miền trường gần tác động trở lại anten.
Trong miền này năng lượng cao tần bị lưu giữ và phản xạ lại anten.
+ Vùng II được gọi là miền trường gần hay còn gọi là miền
Fresnel. Đặc tính của trường này là át trội trường vùng I và góc phân phối
trường phát xạ phụ thuộc vào khoảng cách.
+ Vùng III được gọi là miền trường xa. Trong miền này
trường phát xạ chiếm ưu thế và góc phân bố trường độc lập với khoảng

1.2.3. Đặc trưng hướng của anten
Biên độ phức của cường độ trường của một nguồn phát xạ sóng
điện từ tại một điểm tuỳ ý trong vùng xa có thể viết dưới dạng sau:
jkrj
A
eef
r
I
E
−
=
),(
.
).,(
ϕθφ
ϕθ

(1.6)
Trong đó:
- r, θ, ϕ là các toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ cầu;
- I
A
là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên anten;
-
),().,(
),(
ϕθϕθ
ϕθφ
fef
j

- Đặc trưng hướng hình xuyến trong các lưỡng cực, đơn cực điện
(hình 1.9). Là anten vô hướng trong 1 mặt phẳng dùng trong vô tuyến
truyền tin.
Hình 1.9 - Đặc trưng hướng hình xuyến
- Đặc trưng hướng hình quạt. Có mức độ định hướng khác nhau
trong 2 mặt phẳng chính và nó thường được dùng để xác định toạ độ góc
của mục tiêu trong kĩ thuật rađar.
- Đặc trưng hướng hình kim (hình 1.10). Có tính định hướng gần như
nhau trong 2 mặt phẳng chính. Thường dùng trong các radar để theo dõi
10
mục tiêu trong cả 2 toạ độ góc và trong thông tin viba, vô tuyến thiên
văn…
Hình 1.10 - Đặc trưng hướng hình kim
- Đặc trưng hướng hình cosecan.
Trường hợp của anten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn
dưới dạng tổng của 2 trường phân cực tuyến tính. Các véc tơ điện của
2 trường này
00
&
ϕθ
ϕθ
EE
vuông góc nhau và lệch pha nhau
một góc δ. Do đó đối với các anten phân cực elip ta phải phân biệt đặc
trưng hướng theo thành phần θ và theo thành phần ϕ: f
θ
(θ,ϕ) và f
ϕ
(θ,
ϕ)

F
mô tả sự phụ thuộc của mật đọ dòng công suất tại các
điểm cách đều anten và hướng quan sát :
),(
ϕθ
p
F
=
),(
2
ϕθ
F
1.2.4. Đặc trưng pha của anten
Đặc trưng pha của anten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong
vùng xa mà tại đó véc tơ cường độ trường có cùng một giá trị pha.
Ta có biểu thức cường độ trường được viết:
jkrj
A
eef
r
I
E
−
=
),(
.
).,(
ϕθφ
ϕθ
(1.8)

(1.11)
Ở đây ta đã ký hiệu : φ(θ,ϕ) - φ(0,0) = ∆φ(θ,ϕ)
Nếu biểu thức trên biểu diễn một mặt cầu thì có thể xem anten
như là một nguồn phát xạ điểm. Tâm của mặt cầu được gọi là tâm phát
xạ hay tâm pha (hình 1.12).
Hình 1.12 - Điểm nguồn, tâm pha đơn
Trong trường hợp anten không có tâm pha, ta có thể tiệm cận
từng phần của mặt đẳng pha bằng các mặt cầu. Như vậy đối với mỗi
13
phần ta có 1 tâm pha. Tập hợp các tâm pha ứng với tất cả các khoảng
có thể nằm trong một miền nào đó quanh chỗ đặt anten.
Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt
phẳng chính E & H (hình 1.13).
Hình 1.13 - Đặc trưng pha có các chỗ nhảy bậc
1.2.5. Đặc trưng phân cực của anten
Để đánh giá tính phân cực ta đưa ra khái niệm hệ số phân cực và
đặc trưng phân cực.
Hệ số phân cực: tỷ số giữa bán trục nhỏ và bán trục lớn của elíp
gọi là hệ số phân cực và ký hiệu là:
a
b
p =
Đặc trưng phân cực: Sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào
hướng tới điểm quan sát gọi là đặc trưng phân cực của anten: p = p
(θ,ϕ)
Hình 1.14 - Elíp phân cực trong mặt phẳng vuông góc với phương
truyền sóng
Từ hình 1.14 biểu diễn sự phân cực ta suy ra rằng:
14


( )
( )
δ
δ
22
2
22
22
2
22
cos411
cos411
mmm
mmm
a
b
p
+−++
+−−+
==
;
θ
ϕ
E
E
m =
(1.14)
Từ đây ta thấy khi trường phân cực tuyến tính (δ = nπ) thì p = 0.
Khi trường phân cực tròn


T
P
π
. Do
vậy ta có công thức sau:
( , )
( , )
/ 4
T
P
D
P
θ ϕ
θ ϕ
π
=
(1.15)
Trong đó
( , )P
θ ϕ
là công suất của anten thực tế trong
hướng
,
θ ϕ
Hệ số định hướng D được định nghĩa là giá trị lớn nhất của D(
,
θ ϕ
)
16
{ }

Tham số này là một trong những thống số quan trọng thể hiện đến
chất lượng của anten.Mặt cắt búp sóng bao gồm mặt cắt E và H. Mặt cắt E
là mặt phẳng chứa vectơ điện từ trường và hướng phát xạ lớn nhất. Mặt cắt
H là mặt phẳng chứa véc tơ điện trường và hướng phát xạ lớn nhất. Trong
thực tế để định hướng anten thì ít nhất một mặt phẳng chủ yếu trùng với
mặt phẳng hình học trong không gian của anten.
18
Hình 1.19 - Mặt phẳng E và mặt phẳng H của anten chấn tử
1.2.8. Hệ số khuếch đại
Pt
Ppx
Pin
Antenna
Rl
Ra
I
Hình 1.20 - Sơ đồ tương đương của anten
Hàm hệ số khuếch đại
( , )G
θ ϕ
là tỉ lệ giữa công suất phát
xạ
( , )P
θ ϕ
so với công suất
/ 4
in
P
π
thực sự vào anten:

tỉ số của công suất máy phát và công suất thực sự được phát ra không gian,
ta còn gọi là hiệu suất phát xạ:
t
in
G P
D P
η
= =
(1.19)
Hiệu suất phát xạ là nhỏ hơn 1, do tổn hao thuần trở và điện môi của
anten.
1.2.9. Diện tích hiệu dụng của anten
Diện tích hiệu dụng A
w
của anten là một đại lượng đặc biệt chỉ có ở
anten thu, A
w
được đo bằng công suất thu cực đại của anten thu được từ
một sóng bề mặt của mật độ công suất S:
P
max
= S . A
w
(1.20) Diện tích hiệu dụng có thể liên hệ với hệ số G
theo huyếch đại công thức sau:
20
A
w
=
π

A
.
ξ
A
.
P
tới
(1.22)
- Hệ số hiệu quả: tích số
η
A
.
ξ
A
được gọi là
hệ số hiệu quả và được ký hiệu là g
A
. Nó đặc trưng cho hiệu quả biến
đổi năng lượng của anten.
g
A
=
η
A
.
ξ
A

(1.23)
1.2.10. Trở kháng và dải thông

R
là thành phần năng lượng mong
muốn phát xạ ra không gian.
r
R
hay còn gọi là điện trở phát xạ của
antenna.
Giả sử bỏ qua
L
R
(
a r
R R
=
) và anten được nối với máy phát có trở
kháng là
g
R
ta có sơ đồ tương đương (hình 1.21).
Hình 1.21 - Sơ đồ tương đương của máy phát và anten
Công suất trung bình của mạch điện trên là:
{ }
*
1
Re .
2
A
P V I
=


r g
r g
R -R
Γ=
R +R
(1.28)
Khi
r g
R R=
ta nói rằng anten phối hợp với máy phát và hệ số phản
xạ bằng không.
Trở kháng của anten là một hàm của tần số, do vậy khi tần số thay
đổi thì cũng thay đổi sự phối hợp. Điểm xác định cận biên của tần số có
mức hệ số phản xạ -10dB (
2
0.1
Γ <
) hoặc là -15dB (
2
0.03Γ <
) tuỳ thuộc
vào yêu cầu của người thiết kế.
Hình 1.22 - Hệ số phản xạ như hàm của tần số
23
Băng thông của anten được xác định bằng phần trăm của tần số trung
tâm, fo là tần số trung tâm,
u
f
là tần số cận trên của fo,
l

bụng I
b
của anten dây và cho cùng một giá trị cường độ trường theo
hướng phát xạ cực đại tại điểm quan sát như anten dây. khái niệm
chiều dài hiệu dụng để đánh giá mức độ định hướng của các anten dây
Tương tự như diện tích hiệu dụng của anten, chiều dài hiệu dụng
anten (thường được qui về chiều cao hiệu dụng của anten h
hd
) là thương số
24
của điện áp mở mạch V
0
của thiết bị đầu cuối anten và cuờng độ điện
trường E của sóng tới phân cực thẳng thu được của anten:
V
o
=h
hd
. E
0
= l
hd
.E
0

(1.29)
Với một lưỡng cực nửa sóng mỏng ta có l
hd
= 0,64.l …Như vậy ý
nghĩa của việc đưa vào khái niệm