ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TĂNG THẾ TOAN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO
DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM – ĐIỂM
LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011

LỜI CAM ĐOAN 4
MỤC LỤC 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7
DANH MỤC HÌNH VẼ 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU 10
MỞ ĐẦU 11
CHƢƠNG 1 12
KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO 12
1.1. Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm 12
1.1.1. Khái niệm chung 12
1.1.2. Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao 13
1.1.3. Anten Yagi (Yagi antenna) 14
1.3.4. Anten Loa (Horn Antenna) 16
1.1.5. Anten thấu kính (Lens Antenna) 17
1.1.6. Anten parabol (Parabol Antenna) 18
1.1.7. Anten mảng (Aray Antenna) 19
1.1.8. Tổng quan các hệ anten độ lợi cao 19
1.2. Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (Electromagnetic
Band Gap) 21
1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG 21
1.2.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của anten EBG 21
1.3. Kết luận chương 1 22
Chƣơng 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU
TRÚC ĐẶC BIỆT EBG 23
2.1. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG 23
2.1.1. Giới thiệu về vật liệu EBG 23
2.1.2. Định lí Bloch và đồ thị tán sắc 24
2.1.3. Các phƣơng pháp mô hình hóa cấu trúc EBG 26
2.1.4. Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten 27
2.2. Cấu tạo của anten EBG 30

AMP
Antenna Modeling Program
CE
end of comments
CM
Comment
CST
Computer Simulation Technology
dB
Decibel
Dir
Directivity
EBG
Electromagnetic Band Gap
EK
Extended thin wire kernel
EN
End of Run
EX
Exitation
FDTD
Finite Difference Time Domain
FR
Frequency sweep
Freq
Frequency
FWE
Plane Wave Expansion
GE
End of geometry

W
Width

8 DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Đồ thị bức xạ của một anten độ lợi cao 12
Hình 1-2: Một số anten độ lợi cao 13
(a) Anten Loa ; (b) Anten mảng; (c) Anten parabol 13
Hình 1-3: Đồ thị bức xạ của một anten 14
Hình 1-4: Cấu trúc anten Yagi 15
Hình 1-5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ lợi và số chấn tử 15
Hình 1-6: Một số loại anten loa phổ biến 16
Hình 1-7: Anten gương parabol 18
Hình 1-8: Anten Von-Trentini 1956 21
Hình 2-1: Minh họa cấu trúc vật liệu EBG 23
Hình 2-2: Cấu trúc tuần hoàn (EBG) 24
Hình 2-3: Cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouin 26
Hình 2-4: Hệ số phản xạ của mẫu vật liệu EBG 28
Hình 2-5: Giảm sóng bề mặt với bề mặt trở kháng cao EBG 29
Hình 2-6: Ứng dụng dải cấm để điều khiển búp sóng 29
Hình 2-7: Mô hình tổng quát anten EBG 30
Hình 2-8: Anten nguồn cho anten EBG: patch antenna 30
Hình 2-9: Anten nguồn cho anten EBG: slot antenna 31
Hình 2-10: Mô hình anten EBG 31
Hình 2-11: Cấu trúc bản mặt bán phản xạ tạo bởi các thanh kim loại đường kính
a, cách đều nhau một khoảng P
t

=12mm 52
Hình 3-8: Đặc tính phối hợp trở kháng với D
1
=11mm 53
9

Hình 3-9: Đặc tính phối hợp trở kháng với D
1
=10mm 53
Hình 3-10: Dạng bức xạ của anten EBG 54
Hình 3-11: Dạng bức xạ của dipole 55
Hình 3-12: Đồ thị đặc tính phối hợp trở kháng của dipole với D
1
=12mm 56

10 DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các hệ anten độ lợi cao 20
Bảng 3-1: Thông số lựa chọn thiết kế 44
Bảng 3.2: Bảng thông số thiết kế mô phỏng anten EBG 49
Bảng 3-3: Thiết lập Dipole 50
Bảng 3-4: Thiết lập cấu trúc EBG 50
Bảng 3-5: Thiết lập nguồn cho Dipole 51
Bảng 3-6: Thiết lập tần số 51
Bảng 3.7: Độ định hướng của anten 54
Bảng 3.8: Băng thông của anten 55
11

Chương 3 trình bày mẫu thiết kế đề xuất một loại anten EBG đơn giản với
việc sử dụng phần mềm mô phỏng khá hiệu quả là HFSS và 4NEC2.
Do còn hạn chế về thời gian, vốn hiểu biết và điều kiện kỹ thuật hiện có,
luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng
góp của các thầy cô và các bạn để nghiên cứu được hoàn chỉnh hơn.
12

CHƢƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO

1.1. Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm
1.1.1. Khái niệm chung
Anten là một phần tử không thể thiếu được trong mọi hệ thống thông tin
liên lạc vô tuyến. Hiểu một cách cơ bản nhất, nó là một thiệt bị dùng để chuyển
đổi năng lượng điện áp cao tần đầu vào thành năng lượng sóng điện từ (
HE,
)
truyền được trong không gian tự do.
Tùy thuộc vào ứng dụng trong thực tế, người ta phân anten ra làm nhiều
loại dựa trên độ lợi (một số tài liệu gọi là độ tăng ích) của nó: anten vô hướng,
anten có độ lợi thấp và anten độ lợi cao.
Anten có độ lợi cao là loại anten có khả năng phát sóng tập trung vào một
hướng nhất định và duy nhất. Hình 1-1 dưới đây mô tả đồ thị bức xạ (radiation
pattern) dạng bút chì của một anten độ lợi cao điển hình.

Hình 1-1: Đồ thị bức xạ của một anten độ lợi cao
Người ta phân biệt anten có độ lợi cao thành nhiều loại tùy thuộc vào hình
dạng hay nguyên tắc hoạt động của chúng. Anten đầu tiên được kể đến là anten
Parabol phân cực tròn được phát minh bởi Heinrich R. Hertz năm 1888, sau đó
có thể kể đến anten Loa (Horn Antenna) năm 1894, anten Yagi năm 1928, anten

hay búp sau tùy thuộc vào hướng của búp phụ so với búp chính.
Trong khái niệm đồ thị bức xạ của anten thì tỉ số “trước-sau” của anten sẽ
so sánh độ lợi lớn nhất của anten trên búp chính với độ lợi lớn nhất trên búp sau.
14 Hình 1-3: Đồ thị bức xạ của một anten
- Băng tần hoạt động của anten (Bandwidth of antenna)
Băng tần hoạt động của anten là vùng tần số cho phép anten hoạt động
đảm bảo dạng bức xạ và trở kháng đầu vào không bị thay đổi.
Hiện nay, anten có độ lợi cao là phần tử không thể thiếu được trong các hệ
thống truyền thông viễn thông như liên lạc vũ trụ hay truyền thông vệ tinh.
Ngoài ra, nó còn được sử dụng nhiều trong các ứng dụng dân dụng và quân sự
như anten truyền hình, radar dẫn đường, hệ định vị, thông tin di dộng…
1.1.3. Anten Yagi (Yagi antenna)
Anten Yagi hay còn gọi là anten Yagi-Uda (do 2 người Nhật là Hidetsugu
Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là một anten định
hướng cao được sử dụng trong truyền thông vô tuyến. Loại anten này thường
được sử dụng cho mô hình điểm-điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểm-
đa điểm. Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến
tính các phần tử là các anten dipole song song nhau. Mỗi phần tử có phân bố dòng
riêng, đồ thị phương hướng của anten là tổ hợp của mỗi phần tử trong hệ (có thể
tăng cường hoặc giảm bớt tùy theo phân bố dòng của mỗi phần tử). [1]
HPBW Búp phụ
Búp chính
Búp sau
Búp bên

D
2

D
3

D
4

16

Trở kháng vào của anten Yagi là một hàm theo trở kháng vào của chấn tử
tích cực nhưng cũng chịu ảnh hưởng lớn bởi các chấn tử ký sinh. Giá trị trở kháng
vào theo lý thuyết của một anten 3 chấn tử là khoảng 25Ω. Tùy theo cấu hình
anten, giá trị này biến thiên trong khoảng 20Ω đến 100Ω. [1]
Anten Yagi được dùng nhiều trong truyền hình, truyền thông điểm-điểm ở tần
số dưới 1GHz.
1.3.4. Anten Loa (Horn Antenna)
Anten loa thuộc loại anten bức xạ mặt. Mặt bức xạ của anten là miệng loa.
Phần từ cơ bản của anten là nguyên tố Huyghen, nghĩa là nguyên tố diện tích được
kích thích bởi điện từ trường đồng pha. Trường hợp đơn giản nhất của bức xạ mặt
là bức xạ mặt từ miệng của một ống dẫn sóng chữ nhật hoặc tròn.
Anten kiểu miệng ống dẫn sóng (gọi tắt là anten ống sóng) tạo ra sự
chuyển đổi sóng điện từ giữa ống dẫn sóng và không gian tự do. Khi mở rộng
kích thước miệng ống của anten ống sóng theo các phương án khác nhau tuỳ
theo độ lợi, đồ thị bức xạ và trở kháng mong muốn ta sẽ nhận được các kiểu
anten loa khác nhau. [2] Hình 1-6: Một số loại anten loa phổ biến

hai cách:
- Tăng độ dài quang học của tia đi qua tâm so với các tia ở ngoài. Trong
trường hợp này ta gọi thấu kính là thấu kính chậm;
- Giảm độ dài quang học của các tia ở ngoài so với các tia đi qua tâm thấu
kính. Trong trường hợp này ta gọi thấu kính là thấu kính nhanh.
Ngoài các thấu kính nhanh và chậm còn có các thấu kính đoản trình, trong
đó việc hình thành sóng phẳng được thực hiện bằng cách tăng độ dài hình học
của tia khi không biến đổi vận tốc pha. Nếu chiết suất của môi trường thấu kính
không biến đổi thì ta gọi thấu kính là thấu kính đồng nhất, ngược lại thì ta có
thấu kính bất đồng nhất. [2]
Anten thấu kính dùng nhiều trong các ứng dụng sử dụng tần số siêu cao
như radar chống va chạm cho ô tô, trực thăng (77GHz).

18

1.1.6. Anten parabol (Parabol Antenna)
Anten parabol là một dạng của anten gương với bề mặt gương là hình
parabol có hệ số sử dụng bề mặt cao. Nguyên lí làm việc chung của gương
tương tự nguyên lí của gương quang học. Để thuận tiện cho việc trình bày, ta
khái quát hoạt động của anten trong chế độ phát. Sóng sơ cấp với dạng của mặt
sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ gương sẽ trở thành sóng
thứ cấp với dạng của mặt sóng và hướng lan truyền biến đổi theo yêu cầu cho
trước. Việc biến đổi dạng mặt sóng được thực hiện nhờ hình dạng và kết cấu đặc
biệt của mặt gương.
Trong phần lớn các trường hợp, mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu
hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) với hướng tính kém thành
sóng phẳng hoặc gần phẳng, với năng lượng tập trung trong một góc không gian
hẹp. Trong một trường hợp khác, anten gương có nhiệm vụ vừa biến đổi dạng
giản đồ hướng của bức xạ sơ cấp, vừa biến đổi hướng truyền lan (anten loa-
parabol).

nửa sóng, anten khe ống dẫn sóng hoặc thấu kính kim loại gấp khúc…).
Anten loa-parabol gồm một loa hình tháp, ở miệng của nó được gắn với
một phần của gương parabol tròn xoay. Tiêu điểm của gương được bố trí trùng
với tâm của loa. Chùm tia hội tụ được bức xạ qua miệng. Ưu điểm của loại anten
này là chùm tia chiếu xạ không bị phân tán, do đó anten đạt được hiệu suất cao,
mức bức xạ phụ nhỏ, dải tần công tác rộng. [2]
Anten parabol được dùng nhiều trong thông tin vệ tinh, truyền thông di
động mặt đất.
1.1.7. Anten mảng (Aray Antenna)
Mỗi anten đơn với những ưu, nhược điểm nhất định nên nhìn chung không
thể hội tụ được đủ tất cả các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống truyền thông. Một tập
hợp các anten rời rạc tạo thành một mảng anten hay hệ anten, gọi là anten mảng.
Dàn anten mảng có thể được tiếp điện đồng pha nhằm tăng tính định hướng cho
anten, hoặc tiếp điện với góc pha biến đổi để có thể quét búp sóng trong không
gian, tạo ra hệ anten có xử lí tín hiệu, anten thông minh…
Các phần tử anten mảng có thể được hình thành bằng cách xếp chồng hai
hay nhiều phần tử, mỗi phần tử có tần số hoạt động riêng và được tiếp điện nối
tiếp để tạo thành một hệ anten hai hay nhiều tần số. Các phần tử anten mảng có
phân cực quay hai tần số cũng được thiết kế nhờ việc nuôi nối tiếp các phần tử
phân cực quay xếp chồng dọc theo đường chéo của mỗi phần tử.[2]
Anten mảng được sử dụng nhiều trong radar quân sự, truyền thông điểm -
điểm.
1.1.8. Tổng quan các hệ anten độ lợi cao
Bảng 1.1 dưới đây mô tả tóm tắt so sánh các ưu và nhược điểm của từng
loại anten độ lợi cao đã trình bày ở trên:
20

Bảng 1.1: So sánh các hệ anten độ lợi cao
Anten
Ƣu điểm

 Độ lợi cao
 Búp sóng phụ thấp
 Phân cực tròn
 Giá rẻ
 Cồng kềnh
 Vùng tối

Antenne mảng
 Điều chỉnh được
hướng búp sóng
 Gọn, nhẹ
 Độ lợi trung bình
 Khó thiết kế để giảm
thiểu búp sóng phụ và
phối hợp trở kháng
21

1.2. Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG
(Electromagnetic Band Gap)
1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG
Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (gọi tắt là anten EBG) là một dạng anten
phẳng sử dụng vật liệu EBG. Lịch sử của có thể được tính từ khi Von-Trentini phát
minh ra loại anten dạng hộp cộng hưởng Fabry Perot [5], anten này được tạo thành
bằng việc đặt lên bề mặt của một anten loa một tấm lưới kim loại hình 1-8. Hình 1-8: Anten Von-Trentini 1956


Chƣơng 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU TRÚC
ĐẶC BIỆT EBG

2.1. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG
2.1.1. Giới thiệu về vật liệu EBG
Tên gọi vật liệu EBG (Electromagnetic Band Gap) được lấy cảm hứng từ
tên gọi của vật liệu tương tự trong quang học là vật liệu dải băng cấm (PBG-
Photonic Band Gap).
Một cách tổng quát nhất, người ta định nghĩa vật liệu EBG là loại vật liệu
dạng cấu trúc lặp theo một, hai hoặc ba chiều. Hoặc có thể định nghĩa cách khác
về vật liệu EBG là những cấu trúc tuần hoàn nhân tạo có khả năng ngăn chặn
hoặc hỗ trợ sự lan truyền sóng điện từ trong một dải tần số xác định trước ứng
với mọi góc tới, mọi trạng thái phân cực của sóng.
Cấu trúc EBG thường được tạo ra bằng cách xếp đặt một cách tuần hoàn
các cấu trúc điện môi và vật dẫn kim loại [12]. Có thể chia EBG thành 3 loại,
tùy theo cấu trúc hình học: dạng khối 3 chiều, cấu trúc mặt 2 chiều, cấu trúc
đường truyền một chiều như hình 2-1.
(a)
(b)
(c)
Hình 2-1: Minh họa cấu trúc vật liệu EBG
a) 1 chiều, (b) 2 chiều, (c) 3 chiều
Do những ưu điểm về kích thước, chi phí chế tạo mà dạng EBG mặt 2
chiều được quan tâm nhiều nhất. Đặc tính quan trọng của EBG là sự tồn tại của
một dải tần số có khả năng ngăn chặn sóng điện từ, dải chắn tần số này phụ

vectơ tịnh tiến cơ sở:
   
arr 


   
Rrr 

,
asR .
(2.2)
Do đó, cấu trúc vật liệu tuần hoàn EBG có thể được tạo ra bằng cách lặp lại
nhiều lần một cấu trúc đơn vị (unit cell) như hình 2-2.

Hình 2-2: Cấu trúc tuần hoàn (EBG)
Unit cell
r
a
25

 Định lí Bloch và điều kiện bờ tuần hoàn.
Theo lí thuyết Bloch, sóng điện từ có thể lan truyền không bị tán xạ trong
môi trường cấu trúc tuần hoàn. Xét một cấu trúc có hàm điện môi tuần hoàn:
 







x
x
ki
eH ,.

.


(2.5)

Với hàm tuần hoàn thỏa mãn
),(),.( zyuzasyu 

Nếu xét trường trên phương tuần hoàn y, ta có:
 
zasy
y
k
u
asy
y
ki
e
x
x
ki
easrH ,
) (.
.



.













(2.6)
Điều đó có nghĩa là ta chỉ cần phân tích trường trên một khối đơn vị, trường
trên các khối lân cận theo phương tuần hoàn có thể suy ra nhờ biểu thức trên.
Phương trình (2.6) là điều kiện bờ tuần hoàn khi nghiên cứu cấu trúc EBG vô hạn.
26

 Miền Brillouin
Lí thuyết Bloch cho thấy: trạng thái Bloch với vectơ sóng k
y
và trạng thái
Bloch với vectơ sóng k
y

mode sóng khả hữu và vectơ sóng k, từ đồ thị này có thể thấy tần số mà sóng
điện từ không thể truyền qua (dải chắn điện từ).

Hình 2-3: Cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouin
2.1.3. Các phƣơng pháp mô hình hóa cấu trúc EBG
Nghiên cứu, phân tích cấu trúc EBG người ta thường sử dụng các phương
pháp số học đê mô hình hóa cấu trúc EBG:
+ Phương pháp đồng nhất thức Rayleigh;
+ Phương pháp Korringa-Korn-Rostoker;
+ Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE);
+ Phương pháp ma trận truyền đạt (TMM);
+ Phương pháp miền thời gian vi sai hữu hạn FDTD.
r
M
x
k
27

Trên thực tế để phân tích cấu trúc EBG về mặt định tính thường dựa trên
một số phương pháp mô hình (mô hình mạch cộng hưởng LC, mô hình đường
truyền) còn phân tích định lượng thực hiện bằng máy tính (một số phần mềm
thương mại: CST, MWS, HFSS [3]. Đề tài sử dụng phần mềm HFSS làm công
cụ khảo sát.
2.1.4. Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten
Ứng dụng của EBG trong thiết kế anten chủ yếu xoay quanh việc lợi dụng
các đặc tính điện từ đặc biệt của nó:
+ Phản xạ sóng phẳng với pha phản xạ bằng 0: Đặc tính này dùng để chế
tạo các anten kích thước nhỏ gọn.
+ Dải tần triệt sóng mặt: Giúp cải thiện hoạt động của anten như tăng độ
lợi, giảm thiểu bức xạ đuôi, bức xạ kí sinh