TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN LOGA
CHU KỲ MẠCH IN
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN TẤT THẮNG
Lớp ĐT9 – K51
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội - tháng 6 năm 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… ……
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………….… ………………………
…………
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự nở rộ của các công nghệ không dây, kéo theo đó là các thiết bị
không dây tích hợp các dịch vụ đa phương tiện nhằm thỏa mãn những nhu cầu ngày
càng cao của con người. Khởi đầu là công nghệ AMTS chỉ cung cấp các dịch vụ
thoại, tiếp đó là công nghệ GSM, CDMA cung cấp dịch vụ thoại và SMS, các công
nghệ không dây hiện nay như WCDMA, OFDM –CDMA, MIMO-OFDM, … đã,
đang và sẽ cung cấp các dịch không dây với dung lượng đường truyền cao. Nhưng
dường như tất cả là chưa đủ cho nhu cầu của con người, vẫn cần một công nghệ
không dây để có thể kết nối tất cả các thiết bị với tốc độ truyền trung bình hàng
trăm Mbit/giây và tiêu tốn ít năng lượng. Công nghệ băng thông siêu rộng ra đời
nhằm thỏa mãn nhu cầu đó. Công nghệ băng thông siêu rộng ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực: Truyền thông, Rada quân sự, kết nối các thiết bị trong gia đình (Tivi,
máy tính, camera, máy ảnh, …), mạng vô tuyến cảm biến, … trong đồ án này anten
được thiết kế cho các công nghệ ứng dụng đường truyền tầm nhìn thẳng (line of

dây trên thế giới quan tâm. Với băng thông siêu rộng, các ứng dụng của công nghệ
này có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến hàng trăm Mbit/giây. Các anten của các
thiết bị sử dụng công nghệ này đòi hỏi có dải tần hoạt động bao chùm dải tần số từ
3.1 GHz đến 10.6 GHz. Tuy nhiên, không phải toàn bộ dải tần này được sử dụng
mà có các công nghệ không dây khác đã và đang sử dụng UWB. Chính vì vậy đặt ra
yêu cầu cho công nghệ UWB loại bỏ băng tần.
Trong đồ án này, ta tập trung giải quyết vấn đề anten loga chu kỳ băng thông
siêu rộng bức xạ định hướng và loại bỏ được 2 băng tần. Bằng cách sử dụng các
nguyên lý mở rộng dải tần làm việc và các kỹ thuật thiết kế anten vi dải băng thông
rộng cộng với các điều chỉnh phù hợp với việc thêm vào các khe hình chữ U giúp
tạo ra anten loga chu kỳ vi dải băng thông siêu rộng, bức xạ định hướng, loại bỏ 2
băng tần. Đặc biệt việc đưa ra phương pháp tiếp điện phù hợp cho anten loga chu kỳ
dạng mạch in là một điểm quan trọng cần giải quyết của đồ án. Anten được chế tạo
bằng công nghệ mạch in, dễ chế tạo và giá thành rẻ.
7
ABSTRACT
In recent years, Ultra-wide band technology (UWB) has been being intensively
studied and concerned by lots of researchers, laboratories, and wireless equipment
producers. Thank to Ultra-wide band, this technology’s application can reach data
bit-rate upto hundreds of Mbps. These equipment’s Antennas need to have active
bands covering from 3.1 GHz to 10.6 GHz. However, this band is not fully used at
all; some parts of this have been used by other wireless technologies. That is the
reason why requirement refered to UWB technology is to remove these bands.
In this thesis, I forcused on dealing with derectional radiation UWB antenna
and removing two bands. By using principle of widening bandwidths and designing
stripline UWB antenna techniques, we made suitable adjustments by etching U-
shape slots on the antenna in order to create UWB printed log-periodic antenna
with directional readiation,reject two bands. And the printed log-periodic antenna‘s
feeding method is one of important points of this thesis. The antenna is designed by
printed technology which is convenient for fabrication with low cost.

PHẦN MỞ ĐẦU
11
Ngày nay với tốc độ hiện đại hóa và công nghiệp hóa đang diễn ra mạnh mẽ
trên toàn cầu, nhu cầu của con người ngày càng cao với xu hướng phát triển đó.
Trong lĩnh vực truyền thông thông tin cũng vậy, cần phải có một công nghệ cho
phép truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao, công suất thấp. Công nghệ băng thông siêu
rộng (3.1GHz-10.6GHz)ra đời đã đáp ứng được nhu cầu này.
Việc thiết kế và chế tạo anten là một phần quan trọng trong việc ứng dụng băng
thông siêu rộng. Bài toán đặt ra là thiết kế anten cho các ứng dụng truyền dẫn tầm
nhìn thẳng hoạt động trong dải tần này. Tuy nhiên do đã có các công nghệ ứng dụng
các dải tần trong dải tần siêu rộng này như WIMAX và WLAN nên việc loại bỏ các
dải tần này là một trong những nhiệm vụ của việc thiết kế anten. Anten loga chu kỳ
là anten có thể thiết kế để hoạt động trong dải tần rộng đồng thời đặc tính bức xạ
của anten cũng thỏa mãn cho các ứng dụng truyền dẫn tầm nhìn thẳng với tốc độ
cao. Tuy nhiên việc thiết kế và tiếp điện cho anten loga chu kỳ dạng mạch in là một
thách thức lớn cần giải quyết.
Chính vì vậy nhiệm vụ của đồ án này là giải quyết 2 vấn đề:
Một là, Giải quyết vấn đề tiếp điện cho anten loga chu kỳ dạng mạch in.
Hai là, Thiết kế được anten ứng dụng công nghệ băng thông siêu rộng và loại
bỏ 2 dải tần dành cho WIMAX và WLAN.
Nội dung của đồ án được trình bày làm 3 chương:
Chương 1 là chương giới thiệu về công nghệ băng thông siêu rộng. Trong
chương này tôi sẽ nêu sơ lược về lịch sử phát triển, đặc điểm chính và những ứng
dụng của công nghệ băng thông siêu rộng.
Tiếp đến là chương 2, chương này trình bày cơ sở lý thuyết gồm có lý thuyết cơ
bản về trường điện từ và khái quát về phần mềm mô phỏng HFSS.
Cuối cùng là chương 3 trình bày về việc phân tích và thiết kế cùng kết quả mô
phỏng anten bằng phần mềm HFSS. Trong chương này sẽ nêu về nguyên lý hoạt
động của anten loga chu kỳ, việc sử dụng các kĩ thuật để tiếp điện và loại bỏ tần số
để đạt được anten đáp ứng được nhu cầu.

Năm 1994 dự án nghiên cứu chính thức đầu tiên về công nghệ băng thông siêu
rộng (UWB) được triển khai nhưng cũng không được công bố.
Tháng 2 năm 2002, Hội đồng truyền thông liên bang Mỹ (FCC) cấp phép cho
công nghệ băng thông siêu rộng, chính thức ra đời “UWB technique”.
Tháng 11 năm 2002, IEEE đưa ra chuẩn 802.15.3a và đề xuất các bộ chuyển
đổi vật lý cho 802.15.3 dựa trên công nghệ băng thông siêu rộng.
Những năm đầu thế kỷ 21, tồn tại độc lập nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu băng
thông rộng như: trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct sequency-DR), xử lý tín hiệu đa
băng (multiband - MB), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)…
Tháng 7 năm 2003, IEEE 802.15.3a đề xuất hợp nhất 2 kĩ thuật : DS-UWB và MB
-OFDM, nhằm đưa ra một kỹ thuật xử lý tín hiệu duy nhất cho chuẩn 802.15.3 kế
thừa các ưu điểm của các kỹ thuật đã có.
Tháng 5, 2004: IEEE đưa ra chuẩn 802.15.4a cho các ứng dụng tốc độ thấp tiêu
tốn cực ít năng lượng cũng dựa trên công nghệ băng thông cực rộng.
Tháng 8 năm 2004: FCC chấp thuận cho các hệ thống sử dụng công nghệ năng
thông siêu rộng đứng độc lập, không phụ thuộc vào các công nghệ khác cũng sử
dụng băng thông siêu rộng.
Từ đây, công nghệ băng thông siêu rộng trở thành một công nghệ mới hứa hẹn
nhiều tiềm năng cho các ứng dụng không dây và nó còn phát triển theo nhiều hướng
khác nhau.
1.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng
Băng thông siêu rộng (UWB) về căn bản khác so với các công nghệ không dây
băng hẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/g. UWB sử dụng một
băng cực kỳ rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu. Do đó, UWB có khả năng truyền
tải nhiều dữ liệu hơn đối với một chu kỳ thời gian so với các công nghệ truyền
thống.
14

Hình 1. 1: Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng
SS – spread Spectrum: trải phổ

16
Hình 1. 2: Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà
17
Hình 1. 3: Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời
Hình 1. 4: Phân chia dải tần trong UWB
1.2 Ứng dụng của công nghệ băng thông siêu rộng
Công nghệ băng thông siêu rộng là công nghệ mềm dẻo của thế giới không dây
– nó đủ linh hoạt để làm việc theo nhiều đường khác nhau trong khi vẫn duy trì
được các đặc tính của nó. Do có thể được sử dụng trong môi trường phân tập, cùng
với việc cân bằng giữa tốc độ dữ liệu và phạm vi hoạt động của hệ thống UWB
mang đến nhiều hứa hẹn lớn cho những ứng dụng khác nhau trong quân sự và dân
sự cũng như trong thương mại. FCC đã phân loại các ứng dụng UWB thành 3 loại:
• Truyền thông và cảm biến
18
• Định vị vị trí và theo dõi
• Radar
UWB có các thuộc tính đặc trưng và tạo cho nó lợi thế lớn trong các ứng dụng
trên. Chúng bao gồm các nét sắp được đề cập sau đây.
• Mức năng lượng: Theo tiêu chuẩn của FCC, các hệ thống UWB cần phải có
công suất vào khoảng - 41.3dBm/MHz, tức là 75nW/MHz, gần như là những
bức xạ tương tự như những bức xạ phát ra từ màn hình TV hoặc máy tính.
Giới hạn công suất như vậy cho phép các hệ thống UWB có tín hiệu nằm
dưới tạp âm nền của các máy thu băng hẹp tiêu biểu.
• Mạng nội bộ: với băng thông siêu rộng đặc biệt có thể được sử dụng cho
mạng cục bộ khoảng cách ngắn với tốc độ bit tiến đến vài Gbps.
• Định vị vị trị: một vài hệ thống UWB có khả năng xác định vị trí 3 chiều của
bất kỳ hệ thống tiếp sóng với độ chính xác vài centimet.
• Xử lý hình ảnh radar: hệ thống UWB có thể được sử dụng là radar xử lý hình
ảnh qua tường và không khí hoặc xuyên lòng đất.
• Kiểm tra lỗ hỏng: một vài hệ thống UWB có thể được chế tạo thành một bộ

có thể được mở rộng và đáng tin cậy. UWB có thể được sử dụng để kết nối thông
tin trong mạng cảm biển. Các bộ thu phát UWB nhỏ và rẻ là sự lựa chọn tuyệt vời
cho các ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến cho cả mục đích quân sự và dân sự.
Những mạng cảm biến như vậy được sử dụng để phát hiện các hiện tượng vật lý
trong những khu vực không thể thâm nhập được và truyền thông tin về đích. Các
ứng dụng dân sự có thể kể đến như giám sát môi trường sống, quan trắc môi trường,
giám sát sức khỏe và nhà tự động.
Cảm biến cũng được sử dụng trong các trung tâm y tế để xác định tốc độ xung,
nhiệt độ và các đánh giá về tín hiệu sự sống. Ngày nay, các bệnh nhân bị chói buộc
bởi dây và cáp. Trong khi UWB có thể được sử dụng để truyền thông tin cảm biến
không dây, nhưng cũng có chức năng như là cảm biến sự hô hấp, nhịp tim và hình
ảnh y học.
c. Tốc độ bit cao
Với băng tần rộng để hoạt động, các ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển và chiếm
hết băng tần với nhiều nhu cầu nảy sinh. Các ứng dụng đầu tiên của UWB sẽ xoay
20
quanh nhu cầu của thị trường hiện tại cho đường truyền dữ liệu tốc độ cao. Các giải
pháp UWB sẽ đáp ứng hoàn toàn các nhu cầu và ứng dụng bởi băng tần rộng sẵn có
của UWB. Đặc biệt, các ứng dụng đa truyền thông phân tập cao, như là ứng dụng
streaming trong các điểm bán hàng trả tiền ngay như sân bay, trung tâm mua sắm
hoặc khu vực đông dân cư, sẽ yêu cầu băng tần mà hiện nay không có khả năng như
là các công nghệ băng hẹp sóng liên tục. Việc tải xuống các bộ phim, clip là một ví
dụ về ứng dụng tôc độ dữ liệu rất cao có thể được thực hiện bởi UWB.
Nhờ vào tốc độ dữ liệu cao của hệ thống UWB trong phạm vi hẹp, các hệ thống
UWB được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong nhà và truyền thông đa phương tiện
dựa trên mạng cá nhân vô tuyến (WPAN). Hệ thống UWB có thể thay thế cho dây
cáp kết nối camera cũng như các ứng dụng điện tử tiêu dùng khác như laptop,
DVDs, máy quay, máy ảnh số, những khả năng mà các công nghệ vô tuyến khác
như Bluetooth hay 802.11a/b không thể truyền tải được.
1.2.2 Định vị vị trí và theo dõi

cùng. Bất cứ sự di chuyển động trong nhà nào đều có thể được theo dõi dễ dàng.
Việc theo dõi tốt làm cải thiện rõ rệt khả năng của chúng ta trong việc cất giữ hàng
hóa, giao hàng tận nơi và các dịch vụ khác.
22
Các đồ vật và đối tượng di động theo con người ngày càng ra tăng, các thông
tin cập nhật và chính xác về vị trí của chúng trở nên vô cùng cần thiết trên thị
trường. Trong khi các công nghệ GPS và E911 hứa hẹn sẽ mang đến mức chính xác
ngoài trời, hiện tại công nghệ theo dõi trong nhà vẫn tương đối ít và có độ chính xác
trong khoảng 3 đến 10 m. Hoạt động của UWB bổ trợ cho các hệ thống GPS và
E911, nó cho phép xác định chính xác vị trí và theo dõi sự hoạt động của vật thể ở
không gian trong nhà với độ chính xác vài centimet. Nó có thể mang đến thông tin
cá nhân và nội dung về vị trí chi tiết về sự thay đổi và theo dõi các tài sản có giá trị
với mục đích an ninh và hiệu quả sử dụng. Các hệ thống UWB có thể làm việc
trong môi trường phức tạp, nơi có nhiều người, đồ vật và tương tác lẫn nhau. Đặc
tính truyền thông hiệu quả và nhanh giữa mợi người có thể giúp ích cho một số nơi
như bệnh viện, trung tâm đào tạo, nơi cần được bảo vệ… Mức độ an toàn chưa từng
có có thể được thực hiện bởi việc kiểm tra vị trí của người và các tài sản quan trọng.
c. Radar
Nhờ phổ tần rất rộng, các tín hiệu UWB có thể dễ dàng xuyên qua các vật cản
khác nhau. Với tính năng của radar mới được tạo ra bởi cộng thêm UWB, thị trường
radar sẽ phát triển đột ngột và radar sẽ được sử dụng trong những vùng mà hiện tại
không thể tưởng tượng nổi. Một vài ứng dụng chính của radar UWB là có thể có tác
động mạnh của các cảm biến tự động, cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh,
sáng kiến thông minh trên đường cao tốc, cảm biến an ninh cá nhân, đo đạc chính
xác và các ứng dụng an toàn xuyên tường.
Ngày nay, khả năng dò chuyển động xuyên tường là có thực. Các thiết bị gửi
hàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu mà trong bất cứ trường hợp
nào đều có thể đâm xuyên qua hầu hết các vật thể trong tòa nhà, bao gồm tường bê
tông, khối bê tông, thạch cao, gạch, gỗ, nhựa, đá lát và sợi thủy tinh. Kết quả là
mang lại rất nhiều chức năng dò tìm với nhiều sự hữu ích mới. Thiết bị radar này

2.1. Lý thuyết cơ bản về trường điện từ
2.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên
Trong không gian tự do hệ phương trình Maxwell và các phương trình liên quan
được biểu diễn như sau:
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Trong các phương trình này:
• E là véc-tơ điện trường
• H là véc-tơ từ trường
• B là véc-tơ mật độ thông lượng từ
• D là mật độ thông lượng điện
• J là mật độ dòng điện dẫn
• là mật độ điện tích
• là hệ số điện môi trong không gian tự do
• là hệ số từ thẩm trong không gian tự do
Đối với các vật liệu dẫn điện, định luật bảo toàn điện tích được biểu diễn bởi
quan hệ:
(2.7)
Mật độ dòng và cường độ điện trường liên hệ với nhau bởi định luật Ohm:
(2.8)
là hệ số phụ thuộc tính dẫn điện của môi trường
Nếu vật dẫn chuyển động với vận tốc trong từ trường thì điện trường tổng
cộng phải bao gồm thêm thành phần được sinh ra do hiệu ứng chuyển động:
25