LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin cảm ơn các thày cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tình truyền đạt kiến
thức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện để em có thể thực
hiện khóa luận này.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị Tú Quỳnh,những
người đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận.
Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trong những lúc
gặp khó khăn khi thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả.
Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010
Sinh viên
Phạm Phú Hưng
class="bi x6 yd w2 h3"
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

LỜI MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các
thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Đe thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di
động, anten gắn trên các thiết bị đàu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phang, chẳng
hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn
như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đàu cuối, sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở
trên. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu anten.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phang mới được thiết kế thỏa mãn các yêu càu về
băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for
Mobile communication, 890 - 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 - 1880 MHz),
PCS (Personal Communication System, 1850 - 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System, 1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tài
liệu liên quan.

Hình 1. 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ
Hình 1. 2 Các trường bức xạ ở khu xa
Hình 1. 3 Hệ tọa độ phân tích của anten
Hình 1. 4 Bức xạ không hướng tính
Hình 1. 5 Bức xạ hướng tính
Hình 1. 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều
Hình 1. 7 Các búp sóng trong mặt phang 2 chiều
Hình 1. 8 Phân cực của anten
Hình 1. 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải
Hình 1.10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải.
Hình 1.11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100
Hình 1.12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100
Hình 1.13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương
Hình 1.14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng
Hình 1.15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải
Hình 1.16 Anten vi dải lưỡng cực
Hình 1.17 Anten vi dải khe mạch in
Hình 1.18 Anten sóng chạy
Hình 1.19 Cấu trúc đường truyền vi dải
Hình 1. 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải
Hình 1. 21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục
Hình 1. 22 Kỹ thuật ghép gần
Hình 1. 23 Kỹ thuật ghép khe hở
Hình 1. 24 Cấu trúc song song
Hình 1. 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch
Hình 1. 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều
Hình 1. 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp
Hình 1. 28 Mảng cộng hưởng
Hình 1. 29 Mảng sóng chạy
Hình 1. 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy

Hình 3. 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn 1
Hình 3. 4 Anten vi dải ghép khe hở 59
Hình 3. 5 Thiết lập dãy tàn số hoạt động cho anten 1
Hình 3. 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu 70
Hình 3. 7 Tạo lớp cho anten 70
Hình 3. 8 Tạo vật dẫn cho anten 71
Hình 3. 9 Tạo mặt phẳng đất 72
Hình 3.10 Định vị trí cho mặt phẳng đất 72
Hình 3.11 Thiết kế patch 73
Hình 3. 12 Xác định vị trí cho patch 73
Hình 3.13 Đường truyền vi dải 74
Hình 3. 14 Định vị trí cho đường nối vi dải 74
Hình 3.15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR 75
Hình 3. 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải 75
Hình 3. 17 Đáp ứng tàn số của thông số SI 1 76
Hình 3.18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều 77
Hình 3.19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống 77
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
class="bi x6 ye w7 h8"
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ỉ
LỜI MỞ ĐẦU ỉỉ
DANH MỤC HÌNH VẺ iv
MỤC LỤC 1
Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VÈ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 4
1. Lý thuyết chung về anten 4

2.4.2. Đường dẫn song song 30
Chương 2. TÌM HIỂU PHẦN MÈM AWR 35
1. Giới thiệu phần mềm AWR 35
2. Môi trường thiết kế AWR 36
2.1. Các thành phần cơ bản của AWR 36
2.2. Các thao tác cơ bản trên AWR 38
2.2.1. Schematỉc và Netlist trong MWO/AO 38
2.2.2. Sơ đồ hệ thống trong vss 39
2.2.3. Cấu trúc EM 39
2.2.4. Tạo layout với MWO và AO 41
2.2.5. Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra 44
2.2.6. Biểu diễn mô phỏng 45
Chương 3. THIẾT KÉ ANTEN VI DẢI 51
1. Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế 51
1.1. Chất nền 51
1.2. Hình dạng patch 52
1.3. Kỹ thuật tiếp điện 53
2. Thiết kế,tính toán thông số 54
2.1. Patch 55

2.1.1. Chất nền 55
2.1.2. Tần số thiết kế 55
2.1.3. Mode cơ bản 55
2.1.4. Tỉ số kích thước 56
2.1.5. Chiều dài patch 56
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

2.1.6. Chiều rộng patch 57
2.1.7. Băng thông của patch 57

Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không
gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín
hiệu RF (Radio Frequency : tàn số vô tuyến) và sự bức xạ,lan truyền của sóng điện từ trong không
gian.
Hình 1. 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ
Thông thường,giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực
tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ,gọi là fide (như
hình 1.1).Trong hệ thống này,máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tàn. Dao động điện sẽ
được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát có nhiệm vụ
biến đổi sóng điện từ ràng buộc này
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
class="bi x6 y7e w7 h8"
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóng
điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do an ten phát
truyền đi,phàn còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian)và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồi
truyền đến máy thu. Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten-flde là phải thực hiện việc truyền dẫn và biến
đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu.
1.2. Các tham số Ctf bản của anten.
1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten.
Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian,bắt nguồn từ lý
thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ. Trước hết,trường từ biến thiên sinh ra trường điện biến
thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường
từ biến thiên. Quá trinh này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phàn
phụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H).Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc
với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian.
Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten,nó sẽ hình thành hai trưòmg.Một trường là trường

Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều
do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
6
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đàu vào thành công suất
bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten
tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế.
Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhất
định và mạnh hơn các hướng còn lại.
2
Hình 1. 4 Bức xạ đẳng hướng.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
class="bi x6 yd8 wc hf"
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính của anten.Mặt
phang E được định nghĩa là mặt phang chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phang
H được định nghĩa là mặt phang chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta
thường chọn hướng của anten sao cho mặt phang E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ
(mặt phẳng x,y hoặc z) như hình 1.5.
Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân
thành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực 3D
đối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy
khác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D).

p = <Ị])W xds = (Ị]jW x n xd a (1.2)
s s
p = tổng công suất tức thời (W).
= vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt. da = vi
phân diện tích của bề mặt (
m
*).
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
9
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Khi trường biến đổi theo thời gian,ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy tích
phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ.Khi trường biến đổi tuần hoàn
theo thời gian có dạng '
r
,ta định nghĩa được thành phần E và
H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H theo công thức như sau :
Thành phàn đàu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phàn thứ hai biến đổi theo
thời gian với tần số bằng 2 lần tần số
ÙJ
cho trước. Vector Poying trung bình theo thời gian (mật độ
công suất trung bình ) có thể được viết lại :
W
BỈ Ĩ
(_x
r
y,z) = Ị_W(_x,y
ẳ

).
Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :
P
raế
- j^UdJl - Ị Ị siaỡ dipdd
(1.9)
dlì — sin. ớ dípdd là đơn vị góc khối (steradian).
1.2.5. Hệ số định hướng.
Hệ số định hướng (D) của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ của aten theo một hướng cho trước
so với cường bức xạ trung bình theo tất cả các hướng.Neu hướng không được xác định thì hướng của
cường độ bức xạ cực đại được chọn.
Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ của
anten theo hướng cho trước ) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng
với í 01 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính.
1.2.6. Hệ số tăng ích.
(U„).
u *nU D -
Ư
B
Prađ
(1.10)
(1.12)
Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên).
u là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối), ĩín là
cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng . Pr-ad là
tổng công suất bức xạ (W).
Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức :
32.4Ơ0
D =——
(1.13)

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

a.Phân cực thẳng ; b. Phân cực tròn ; c. Phân cực ellip
Đầu mút của vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ gọi là phân cực phải
(clockvvise_CW) và quay ngược chiều kim đồng hồ gọi là phân cực trái (counterclockwise CCW).
Trường của sóng phang khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểu diễn như
sau :
E (z;t) = ẶsE X (z;t) + ®i'E y(z;t) (1.16)
Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phàn tức thời và thành phàn phức :
E X (z;t) = Re [Ex e/C"fc+*=)] = Re [£r*
- Ẹx
P
cữ5(£ỉJt + kz + Ỡx) (1.17)
E y(z;t) = Re [
E
v eJ^
Uk2
ì-ị =
Re
[Êy
0
e
}[Mt+fiz+ey)^
= E
ya
cas[củt +kz + 6y) (1 Ig)
Với
'
E
y ũ

Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phàn trăm của sự sai khác giữa hai tàn
số (tàn số trên và tàn số dưới ) so với tàn số trung tâm.
Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực .của
anten không biến đổi giống nhau theo tàn số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau.Tùy các
ứng dụng cụ thể,yêu càu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp.
E x | * |Ey| <=> ^ Eyn
(1.22)
: > 0 đối VỚI cw
[< 0 đổ! vời ccw
(1.24)
ímax - fmi
BW =
min
X 100%
Đ
(1.25)
Sinh viên : Phạm Phú Hưng 14
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

1.2.9. Trở kháng vào.
Trở kháng vào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó
hay tỉ số điện áp trên dòng điên hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tương ứng tại cùng một
điểm.ở đây,ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đàu vào của anten.TỈ số điện áp trên dòng điện ,trong
trường hợp không có tải,xác định trở kháng của anten :
R 7- là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (O)
R
ỉ là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (O)
Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần só.Do đó anten chỉ phối họrp tốt với

thấp,cấu trúc đơn giản,thích hợp với các mạch tích hợp
nhất của một anten vi dải bao gồm một patch bức xạ nằm trên một nền điện môi
(e,, < lũ ) và một mặt phang đất (ground plane) nằm ở mặt còn lại của chất nền.Chất dẫn
patch,thường bằng đồng hoăc vàng,có nhiều hình dạng khác nhau nhưng các dạng thông
thường nói chung là thường được sử dụng để dễ phân tích cũng như tính toán hiệu suất.
Hằng số điện môi (t"> ) của chất nền đóng vai trong quan trong nhất đối với hoạt động
của anten vi dải.Nó ảnh hưởng đến đăc tính trở kháng,tàn số cộng hưởng,băng thông,hiệu
suất của anten.Trong điều kiện lý tưởng,hằng số điện môi nên có giá trị thấp (e„ ^ 2.5 )
để mở rộng vùng viền (fringing fĩeld) vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạ
của anten vi dải.Tuy nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sử
dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn (£r ^ 10 ).
2.1.1. Ưu điểm và hạn chế của anten vỉ dải.
Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thường
khác và các ứng dụng của nó trải khắp dải tàn số băng rộng 100 MHz-100GHz.Một số ưu
điểm nổi bật của anten vi dải là :
> Trọng lượng nhẹ,thể tích nhỏ,cấu trúc phang và mỏng nên dễ chế tạo.
> Giá thành sản xuất thấp,thích hợp với sản xuất số lượng lớn.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Hình 1. 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải
Hình 1.9
mô tả câu trúc đơn giản
class="bi x6 y167 wf h8"
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

> Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ tiếp điện thuật đơn giản.
> Dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp microwave.
> Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thời trên cùng
một cấu trúc anten.
Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các anten microwave
thông thường:

đáy và cạnh lên bề mặt trên của patch.
> Lực hút giữa các điện tích trái dấu ở đáy của patch và mặt phang đất,lực hút này giữ các
điện tích tập trung ở đáy của patch.
Sự di chuyển của các điện tích dưới sự tương tác của các lực trên tạo nên các dòng
chảy trên bề mặt và đáy của patch (ỉh :/r) .Đa số các anten vi dải có h/w rất nhỏ nên lực hút giữa các
điện tích trái đấu chiếm ưu thế và hàu hết các điện tích tập trung dưới đáy patch.Chỉ một lượng nhỏ
điện tích từ các cạnh lên trên bề mặt patch nên dòng do nó tạo ra rất nhỏ.Do đó thành phàn tiếp tuyến
từ trường được tạo ra cũng rất nhỏ,ta có thể xấp xỉ nó bằng O.Hơn nữa độ dày h của chất nền thường
là rất nhỏ so với bước sóng nên trường biến đổi dọc theo h có thể xem là không đổi và điện trường thì
gàn như trực giao với bề mặt patch.Như vậy patch có thể được mô hình hóa như là một hốc cộng
hưởng với tường điện ở bề mặt và đáy cùng với bốn tường từ ở xung quanh bốn cạnh của patch.Bốn
mép của hốc cộng hưởng sẽ biểu diễn bốn khe hẹp,ở đó quá trình bức xạ sẽ diễn ra.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
18
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp

Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

Hình 1.11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100
y
b)
Hình 1. 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 a.Phân bố từ ở
khe phát xạ ; b. Phân bố từ ở khe không phát xạ.
Như ta thấy ở hình 1.12, bức xạ của hai khe nằm dọc theo trục X (dọc theo L) bằng không do hai phân
bố dòng cùng độ lớn và ngược nhiều nhau. Ở hai khe dọc theo trục y
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
19
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.

(dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bức