Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

LỜI NÓI ĐẦU
Lời đầu tiên, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình tới
TS. Phạm Hải Đăng - người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho
tôi trong quá trình tìm hiểu học tập và nghiên cứu tại Viện Điện tử- Viễn thông,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới bạn Đinh Văn Liêm, người đã nhiệt tình giúp
đỡ, chia sẻ những kiến thức, hiểu biết của mình giúp tôi có thể hoàn thành được
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, các Cô Viện Điện tử- Viễn thông trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học hỏi thông qua các
môn học cũng như hoàn thành khoá học.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân và
bạn bè đồng nghiệp đã khích lệ và động viên tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của chính bản thân tôi.
Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và mô phỏng
thực tế của mình, mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt
kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội
dung được viết trong này.
Tác giả

1


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................ 2
KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ ANH VIỆT .................................................. 5

DANH MỤC BẢNG ................................................................................ 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................... 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................ 10
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH .............. 12
1.1.

Lịch sử ra đời ............................................................................................... 12

1.2.

Các loại quỹ đạo trong thông tin vệ tinh .....................................................12

1.3.

Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh ......................................................... 13

1.4.

Các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh ........................................................15

1.5.

Hệ thống vệ tinh tầm thấp LEO ...................................................................16

CHƢƠNG 2 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI
DẢI
..…………………………………………………………………..19
2.1.

LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN ........................................................... 19


2.1.1. Khái niệm anten .......................................................................................19
2.1.2. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten ......................................................21
2.2.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN VI DẢI ..............................................23

2.2.1. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải .....................................................24
2.2.2. Đặc tính của anten vi dải (Microstrip antenna - MSA) ............................ 27
2.2.3. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method) .......................... 28

2


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

2.2.4. Băng thông của MSA ...............................................................................32
2.2.5. Nguyên lý bức xạ của anten vi dải ........................................................... 33
2.2.6. Trường bức xạ của anten vi dải ................................................................ 35
2.2.7. Sự phân cực sóng .....................................................................................39
2.3.

CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI ........................................40

2.3.1. Mô hình đường truyền (Transmission line) .............................................41
2.3.1.1. Hiệu ứng viền (Fringing Effects) .......................................................... 41
2.3.1.2. Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng .......43
2.3.1.3. Điện dẫn ................................................................................................ 45
2.3.1.4. Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng ...................................................46
2.3.2. Mô hình hốc cộng hưởng .........................................................................49

2.3.2.1. Các mode trường – TMx .......................................................................52
2.3.2.2. Trường bức xạ - Mode TMx010 .............................................................. 55

CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN TỬ ANTEN ĐƠN
HOẠT ĐỘNG TRÊN HAI BĂNG TẦN L VÀ S ............................... 60
3.1.

Yêu cầu thiết kế phần tử anten đơn ............................................................. 60

3.2.

Thiết kế chế tạo và đo kiểm phần tử đơn ....................................................60

3.3.

Kết quả thu được và đánh giá ......................................................................68

CHƢƠNG 4 : SỰ TƢƠNG HỖ GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG
MẢNG ANTEN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẢNG ANTEN HAI
BĂNG TẦN L,S ..................................................................................... 72
4.1.

Sự tương hỗ giữa các phần tử trong mảng anten .........................................72

4.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................72
4.1.2. Sự tươ1ng hỗ trong mảng anten phát .......................................................72

3



Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

4.1.2.1. Khái niệm trở kháng tương hỗ .............................................................. 73
4.1.2.2. Ảnh hưởng của tương hỗ đến đồ thị bức xạ .........................................75
4.1.2.3. Ảnh hưởng của mảng nhiều thành phần ...............................................77
4.1.3. Hiện tượng tương hỗ trong mảng anten thu .............................................78
4.1.3.1. Định nghĩa trở kháng tương hỗ của mảng anten nhận .......................... 78
4.1.3.2. Ảnh hưởng đối với mảng nhiều thành phần khác nhau ........................79
4.1.4. Khảo sát sự tương hỗ của các phần tử anten trong mảng ........................80
4.1.4.1. Mục tiêu ................................................................................................ 80
4.1.4.2. Phương pháp thực hiện .........................................................................80
4.1.4.3. Kết quả khảo sát tương hỗ ....................................................................80
4.1.5. Kết luận ....................................................................................................82
4.2.

Thiết kế và chế tạo mảng anten hai băng tần L và S ...................................82

4.2.1. Thiết kế bộ chia công suất cho ghép mảng 4 phần tử .............................. 83
4.2.1.1. Thiết kế bộ chia công suất đồng pha ....................................................83
4.2.1.2. Kết quả mô phỏng và chế tạo bộ chia công suất đồng pha ...................86
4.2.2. Thiết kế và chế tạo mảng 4 phần tử ......................................................... 88
4.2.3. Thiết kế và chế tạo mảng 16 phần tử .......................................................89
4.2.3.1. Kết quả mô phỏng mảng 16 phần tử trên HFSS ...................................90
4.2.3.2. Chế tạo và đo kiểm mảng anten 16 phần tử phân cực tròn cho ứng dụng
vệ tinh băng tần L,S .............................................................................................. 92
4.2.4. Kết luận ....................................................................................................93

KẾT LUẬN ............................................................................................ 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 97


4


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ ANH VIỆT

AR

Axis Ratio

Tỷ số trục

BW

Bandwidth

Băng thông

EIRP

Equivalent Isotropic Radiated
Power

Công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương

G

Gain


Hệ số tăng ích của anten

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile
Communications

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

GSO

Geostationary Orbit

Quỹ đạo địa tĩnh

HFSS

High Frequency Structural
Simulator

Phần mềm mô phỏng cấu trúc
cao tần của ANSOFT


HPBW

Half-Power Beam Width

Búp sóng nửa công suất

L

L Frequency band

Băng tần L

LEO

Low Earth Orbit

Quỹ đạo thấp

MSA

Microstrip antenna

Anten vi dải

MTA

Microstrip Traveling-Wave
Antennas


Anten vi dải sóng chạy

PNA

Network Analyzers

Máy phân tích mạng cao tần

PSTN

Public Switched Telephone
Network

Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng

S

S Frequency band

Băng tần S

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Hệ số sóng đứng

5



Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1 : Các ký hiệu băng tần ...............................................................................14
Bảng 1-2 : Các hệ thống LEO và hệ thống tương ứng mặt đất .................................17
Bảng 1-3 : Các dịch vụ của hệ thống LEO ............................................................... 18
Bảng 3-1 : Thông số của phần tử anten đơn (đơn vị : mm) ......................................68

6


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2-1 : Một số loại anten .....................................................................................19
Hình 2-2 : Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện đơn giản ...................................................21
Hình 2-3: Trường bức xạ của 1 anten .......................................................................22
Hình 2-4 : Anten vi dải.............................................................................................. 23
Hình 2-5 : Các dạng anten vi dải thông dụng ........................................................... 24
Hình 2-6 : Anten vi dải lưỡng cực ............................................................................25
Hình 2-7 : Anten vi dải khe mạch in .........................................................................26
Hình 2-8 : Anten vi dải sóng chạy ............................................................................27
Hình 2-9 : Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải ......................................................29
Hình 2-10 : Cấp nguồn dùng cáp đồng trục .............................................................. 30
Hình 2-11 : Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled ................31
Hình 2-12 : Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled .............31
Hình 2-13 : Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật .........33
Hình 2-14 : Mô hình đường truyền ...........................................................................43
Hình 2-15 : Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng của miếng patch .....................44

Hình 2-16 : Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền .....45
Hình 2-17 : Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp ........................48
Hình 2-18 : Phân bố điện tích và dòng điện .............................................................. 50
Hình 2-19 : Phân tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ .....................................52
Hình 2-20 : Các mode trường bức xạ anten vi dải ....................................................54
Hình 3-1 : Thành phần bức xạ khe hẹp .....................................................................61
Hình 3-2 : Phần tử anten đơn cộng hưởng 2 band tần ..............................................63
Hình 3-3 : Phần tử anten đơn qua các bước thiết kế .................................................63
Hình 3-4 : Phân bố dòng điện của cấu trục phân cực tròn trên băng tần S ...............64
Hình 3-5 : Bức xạ khe hẹp ........................................................................................64
Hình 3-6 : Cấu trúc đế điện môi 2 lớp ......................................................................65
Hình 3-7 : Mô hình tương đương của phần tử anten đơn tiếp điện vi dải ................66
Hình 3-8 : Cấu trúc tiếp điện đường truyền vi dải ....................................................66

7


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

Hình 3-9 : Bộ biến đổi 1/4 bước sóng .......................................................................67
Hình 3-10 : Phần tử anten đơn hoạt động 2 băng tần, phân cực tròn........................67
Hình 3-11 : Hệ số phản xạ S11 của phần tử anten đơn ..............................................68
Hình 3-12 : Hệ số phản xạ S11 của phần tử anten đơn khi thay đổi lần lượt ls và W 69
Hình 3-13 : Đồ thị bức xạ của phần tử anten đơn ở tần số 1,7GHz (a) và 2,25GHz
(b) .............................................................................................................................. 70
Hình 3-14 : Hệ số tăng ích của anten tại tần số 1,7GHz (a) và 2,25GHz (b) ...........70
Hình 3-15 : Tỷ lệ trục của anten tại tần số 1,7GHz (a) và 2,25GHz (b) ...................71
Hình 3-16 : Kết quả đo S11 phần tử anten đơn .......................................................... 71
Hình 4-1 : Mô hình 2 phần tử anten phát ..................................................................73
Hình 4-2 : Mô hình tương đương của 2 dipol ........................................................... 73

Hình 4-3 : Thay đổi trở kháng tương hỗ khi thay đổi khoảng cách giữa 2 phần tử ..75
Hình 4-4 : Mô hình định nghĩa trở kháng tương hỗ của mảng anten nhận ...............79
Hình 4-5 : Kết quả khảo sát tương hỗ .......................................................................81
Hình 4-6 : Kết quả khảo sát tương hỗ (tiếp) ............................................................. 81
Hình 4-7 : Kết quả kiểm tra tương hỗ thông qua ma trận tán xạ S11 và S12 ..............82
Hình 4-8 : Kết quả kháo sát tương hỗ thông qua ma trận tán xạ S13 và S14 ..............82
Hình 4-9 : Bộ chia công suất Wilkinson ...................................................................83
Hình 4-10 : Mạch ghép Wilkinson được chia thành 2 mode ....................................83
Hình 4-11 : Các mode chẵn được chia làm 2 thành phần độc lập với nhau .............84
Hình 4-12 : Mode lẻ được chia thành 2 thành phần độc lập nhau ............................ 85
Hình 4-13 : Sơ đồ mạch ghép và chia công suất với nguồn vào tại cửa 3 ................86
Hình 4-14 : Bộ chia công suất Wilkinson với nguồn ghép vào cửa 3 (R hở mạch) .86
Hình 4-15 : Kết cấu bộ chia công suất đồng pha dải rộng ........................................87
Hình 4-16 : Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm bộ chia công suất đồng pha ......87
Hình 4-17 : Mô phỏng anten mảng 4 phần tử ........................................................... 88
Hình 4-18 : Kết quả chế tạo thực tế mảng 4 phần tử ................................................88
Hình 4-19 : Đồ thị bức xạ của mảng mô phỏng trên HFSS ......................................89
Hình 4-20 : Kết quả đo pha của cáp trên PNA_X .....................................................89
Hình 4-21 : Mô phỏng cấu trúc của mảng 16 phần tử ..............................................90
8


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

Hình 4-22 : Kết quả mô phỏng tham số S và tỷ số trục của mảng ............................ 91
Hình 4-23 : Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ trên phần mềm HFSS ......................92
Hình 4-24 : Mảng anten thực tế ................................................................................93
Hình 4-25 : Kết quả đo S11 trên PNA_X ...................................................................94
Hình 4-26 : Đồ thị Smith của mảng trên PNA_X .....................................................95


9


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

MỞ ĐẦU
Hiện nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một hình thức thông tin phổ biến và rất
đa dạng. Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống
thông tin toàn cầu, nó cung cấp các dịch vụ hết sức đa dạng như các dự báo thời
tiết, chụp ảnh, quan sát trái đất, nghiên cứu khoa học hay truyền hình trực tiếp các
sự kiện thể thao, văn hóa, chính trị; cung cấp các dịch vụ định vị, dịch vụ thoại,
nhắn tin, các dịch vụ đa phương tiện và truyền dữ liệu tốc độ cao. Với ưu điểm về
tầm phủ sóng rộng lớn, hệ thống thông tin vệ tinh có thể cung cấp dịch vụ cho
những vùng xa xôi, hẻo lánh nhất trên trái đất mà các hình thức thông tin khác
không thể hoặc cung cấp với chi phí rất cao.
Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh được thiết lập với nhiều quỹ đạo khác
nhau, mỗi loại quỹ đạo này đều có những ưu nhược điểm riêng, tùy theo các loại
hình dịch vụ mà người ta sử dụng các loại quỹ đạo phù hợp. Trong các loại quỹ đạo
thông tin vệ tinh, quỹ đạo tầm thấp LEO, đang được sử dụng ngày càng rộng rãi do
giá thành thấp và tốc độ cao, độ trễ nhỏ.
Một trong những thành phần quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp tới chất
lượng của thông tin vô tuyến nói chung và thông tin vệ tinh nói riêng đó là anten.
Đối với vệ tinh địa tĩnh, vị trí của vệ tinh cố định so với trái đất nên anten luôn nhìn
vệ tinh dưới một góc không đổi, do đó hướng của anten là cố định; đối với vệ tinh
tầm thấp LEO, quỹ đạo vệ tinh thay đổi nên góc nhìn vệ tinh của anten phải thay
đổi, muốn làm điều đó có thể sử dụng 2 biện pháp :
-

Biện pháp thứ nhất : Sử dụng cơ cấu cơ khí để xoay anten.


-

Biện pháp thứ hai : Chế tạo các loại anten có vùng phủ rộng.

Đối với các trạm cố định trên mặt đất, biện pháp thứ nhất tương đối hiệu quả,
tuy nhiên đối với các phương tiện di chuyển như máy bay, tàu biển, biện pháp này
bộc lộ hạn chế do các phương tiện này rung, lắc khi di chuyển hoặc có tốc độ di
chuyển quá nhanh, do đó người ta sử dụng biện pháp thứ hai.
Trong luận văn này, tôi sẽ trình bày về đề tài Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải
cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO, với sản phẩm là mảng anten vi dải gồm 16

10


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

phần tử anten đơn, có thể hoạt động trên 2 băng tần L và S. Luận văn bao gồm 4
chương :
-

Chương 1 : Tổng quan về thông tin vệ tinh

-

Chương 2 : Lý thuyết chung về anten và anten vi dải

-

Chương 3 : Thiết kế và chế tạo phần tử anten đơn hoạt động trên hai băng
tần L và S.


-

Chương 4 : Sự tương hỗ giữa các phần tử trong mảng anten. Thiết kế và chế
tạo mảng anten hai băng tần L,S

11


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.

1.1. Lịch sử ra đời
- Vệ tinh nhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 của Liên Xô, được phóng lên quỹ đạo
vào ngày 4 tháng 10 năm 1957. Vệ tinh này được trang bị máy phát radio làm
việc trên hai tần số 20,005 và 40,002MHz. Đây là sự kiện đánh dấu sự bắt đầu
của thông tin vệ tinh.
- Năm 1958, bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SOCRE của Mỹ bay ở
quỹ đạo thấp. Nó được sử dụng để ghi và gửi lời chúc mừng giáng sinh đến thế
giới của tổng thống Mĩ Dwight D. Eisenhower.
- Năm 1964 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT.
- Cuối năm 1965, Liên Xô phóng vệ tinh thông tin MOLNYA lên quỹ đạo
elip.
- Năm 1972-1976, Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho
thông tin nội địa.
- Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh
INMARSAT.

- Năm 1984, Nhật Bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tuyến qua
vệ tinh.
- Năm 1987, thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động.
- Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh đang tiếp tục phát triển và có rất nhiều
ứng dụng trong đời sống của con người.

1.2. Các loại quỹ đạo trong thông tin vệ tinh
Tùy thuộc vào độ cao của quỹ đạo vệ tinh so với mặt đất, hệ thống thông tin vệ
tinh được chia thành [4]
- Quỹ đạo elip cao (HEO – Highly Elpitical Orbit ) : quỹ đạo khoảng 40.000
km.

12


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

- Quỹ đạo địa tĩnh (GSO – Geostationary Orbit hay GEO – Geostationary
Earth Orbit) : khoảng 36.000 km.
- Quỹ đạo trung (MSO – Medium Earth Orbit) : quỹ đạo khoảng 10.000 km.
- Quỹ đạo thấp (LEO – Low Earth Orbit ) : khoảng 500-2.000 km.

1.3. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh
Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự cộng
tác quốc tế và có quy hoạch. Phân bố tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên
đoàn viễn thông quốc tế (ITU). Để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới
được chia thành ba vùng :
- Vùng 1 : Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô cũ và Mông Cổ
- Vùng 2 : Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh
- Vùng 3 : Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương

Trong các vùng này băng tần được phân bố cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau,
mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác
nhau. Các dịch vụ do các vệ tinh cung cấp bao gồm :
- Các dịch vụ vệ tinh cố định (FSS)
- Các dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS)
- Các dịch vụ vệ tinh di động (MSS)
- Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng
- Các dịch vụ vệ tinh khí tượng
Từng phân loại trên lại được chia thàng các phân nhóm dịch vụ, chẳng hạn dịch
vụ vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng
như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống
cáp. Các dịch vụ vệ tinh quảng bá có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến
gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS : Direct Broadcast
Satellite), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH : Direct to home). Các
dịch vụ vệ tinh di động bao gồm : di động mặt đất, di động trên biển và di động trên

13


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

máy bay. Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị toàn cầu và
các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu
hộ.
Dải tần (GHz)
Ký hiệu băng tần
0,1 – 0,3
VHF
0,3 – 1,0
UHF

1,0 – 2,0
L
2,0 – 4,0
S
4,0 – 8,0
C
8,0 – 12,0
X
12,0 – 18,0
Ku
18,0 – 27,0
K
27,0 – 40,0
Ka
40,0 – 75
V
75 – 110
W
110 – 300
Mm
300 – 3000
Μm
Bảng 1-1 : Các ký hiệu băng tần
Băng Ku là bằng nằm dưới băng K còn băng Ka là băng nằm trên K. Ku là băng
hiện nay được sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp và nó cũng được sử dụng
cho một số dịch vụ vệ tinh cố định. Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố
định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp không được sử dụng băng này. Băng VHF
được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng, đồng thời cũng được sử
dụng để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết. Băng L được sử dụng cho các dịch vụ
di động và các hệ thống đạo hàng. Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C,

phần bằng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4 đến 6 GHz. Hầu như các
tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thường băng C được ký hiệu 6/4
GHz trong đó số viết trước là tần số đường lên. Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp
trong băng Ku, dải thường được sử dụng là vào khoảng từ 12 – 14 GHz và được ký
hiệu là 14/12 GHz. Mặc dù các ấn định tần số được thực hiện cụ thể hơn và chúng
có thể nằm ngoài các giá trị trích dẫn ở đây ( chẳng hạn các ấn định tần số của băng
Ku có thể là 14,030 GHz và 11,730 GHz), các giá trị gần đúng được đưa ra ở trên
hoàn toàn thỏa mãn cho các tính toán có liên quan đến tần số [4].

14


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

1.4. Các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh
Hệ thống thông tin di động vệ tinh đã trải qua những biến đổi cách mạng, bắt
đầu từ hệ thống thông tin di động vệ tinh hàng hải (INMARSAT) với các vệ tinh ở
quỹ đạo địa tĩnh (GSO). Năm 1996, INMARSAT phóng 3 trong số 5 vệ tinh của
INMARSAT 3 để tạo ra các chùm búp hẹp chiếu xạ toàn cầu. Với cùng một công
suất phát, các chùm búp hẹp tạo ra được EIRP lớn hơn nhiều so với các chùm búp
toàn cầu. Nhờ vậy việc thiết kế đầu cuối mặt đất sẽ đơn giản hơn vì đầu cuối mặt
đất sẽ nìn thấy anten vệ tinh với tỷ số giữa hệ số khuếch đại anten và nhiệt độ tạp
âm của hệ thống (G/Ts) lớn hơn và EIRP đường xuống sẽ lớn hơn. Người ta dự định
có thể sử dụng thiết bị đầu cuối mặt đất với kích thước nhỏ chỉ bằng cuốn sổ tay,
hiện nay mong muốn này đang dần được hiện thực hóa, kích thước của các thiết bị
di động đặt trên mặt đất hoặc trên xe của hệ thống thu tín hiệu từ các vệ tinh GSO
đã được thu nhỏ, chỉ tương đương với kích thước của một chiếc vali. Với EIRP từ
vệ tinh đủ lớn, các máy di động có thể sử dụng các anten có kích thước trung bình
cho dịch vụ thu số liệu và thoại. Tuy nhiên vẫn chưa thể cung cấp dịch vụ này cho
các máy thu phát cầm tay.

Để đảm bảo hoạt động ở vùng sóng viba thấp cho các bộ thu phát cầm tay ở hệ
thống vệ tinh GSO cần có anten dù mở (hệ số khuếch đại anten cao) đặt được bên
trong thiết bị phóng và công suất phát bổ sung. Chẳng hạn ở băng L (1 – 2 GHz),
kích thước anten có thể từ 10 đến 15m. Sở dĩ cần như vậy vì máy thu phát cầm tay
có công suất phát thấp (vài trăm mW) và hệ số khuếch đại anten thấp (0 đến 3dB).
Công suất phát của máy cầm tay phụ thuộc vào pin hoặc acqui và trọng lượng của
nó, nhưng quan trọng hơn là an toàn cho người sử dụng. Vì thế các vùng dưới mặt
đất đòi hỏi mật độ thông lượng công suất đến anten cao hơn ( đạt được nhờ EIRP
cao) và tỷ số G/Ts ở vệ tinh cao (anten thu vệ tinh có hệ số khuếch đại cao) để bắt
được tín hiệu yếu từ máy phát của máy cầm tay.
Hiện nay, hãng vệ tinh di động Mỹ (AMSC) có thể cung cấp dịch vụ vệ tinh
GSO cho máy thu phát có kích thước bằng một chiếc vali, hãng này sử dụng các vệ
sinh GSO đặt ở 1010W. Vệ tinh này đảm bảo dịch vụ cho tông tin của người sử

15


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

dụng ở băng L và sử dụng băng Ku (11 – 18 GHz) để trao đổi thông tin với trạm
mặt đất, nơi kết nối với mạng PSTN.
Tất cả các vệ tinh di động cung cấp dịch vụ tiếng phụ thuộc vào anten trạm mặt
đất có tính hướng (G > 10dB). Có thể sử dụng các anten có hệ số khuếch đại thấp
hơn nhưng chỉ có thể cung cấp dịch vụ cho tốc độ số liệu thấp hoặc nhắn tin (các
dịch vụ phi thoại).
Hiện nay thông tin di động vệ tinh đang chuyển sang dịch vụ thông tin di động
cá nhân (PCS) với các máy thu phát cầm tay. Đối với ứng dụng này các vệ tinh phải
có quỹ đạo thấp (LEO) và quỹ đạo trung (MEO). Các vệ tinh này sử dụng các chùm
búp hẹp chiếu xạ mặt đất để tạo thành cấu trúc tổ ong giống như các hệ thống tổ
ong mặt đất. Tuy nhiên do vệ tinh bay nên các chùm búp này di động và cơ bản

trạm di động có thể coi là dừng đối với các búp hẹp (tổ ong) chuyển động khá
nhanh. Cũng có thể lập trình các búp hẹp này để quét sóng các vùng phục vụ mặt
đất và duy trì chiếu cố định như một hệ thống tổ ong. Tuy nhiên điều này đòi hỏi
các anten phức tạp hơn, chẳng hạn dàn chỉnh pha hay anten quét cơ khí hoặc điều
khiển độ cao của quỹ đạo vệ tinh.
Một số hãng đang đưa ra các đề án LEO hay MEO để cung cấp cả dịch vụ
truyền số liệu và tiếng. Chủ yêu các dịch vụ số liệu được cung cấp bởi các hệ thống
thông tin vệ tinh LEO nhỏ, còn việc cung cấp đồng thời cả số liệu và tiếng sẽ được
thực hiện bởi các hệ thống LEO lớn. Nói chung các vệ tinh của LEO phức tạp và
đắt tiền hơn [4]

1.5. Hệ thống vệ tinh tầm thấp LEO
Thông thường, các vệ tinh thông tin thường hoạt động ở quỹ đạo địa tĩnh GSO,
khoảng 35.000km trên đường xích đạo và các vệ tinh ở quỹ đạo trái đất thấp LEO
được sử dụng để theo dõi thời tiết, lập bản đồ tài nguyên và đặt các cảm biến theo
dõi trái đất. Trong thời gian gần đây, cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp
thông tin liên lạc vệ tinh đang diễn ra, đó là mạng lưới vệ tinh tầm thấp LEO đang
đóng vai trò ngày càng quan trọng trong hệ thống thông tin tốc độ cao.

16


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

Các vệ tinh LEO thường bay ở độ cao từ 500km đến 2000km, độ cao thấp. Thời
gian trễ trọn vòng khi sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh LEO rất nhỏ so với
khoảng nửa giây khi sử dụng hệ thống GSO. Vì những lý do rất tự nhiên, các hệ
thống thông tin vệ tinh LEO là những hệ thống toàn cầu, có khả năng cung cấp dịch
vụ cho tất cả các khu vực trên thế giới.
Hệ thống LEO nhỏ

Hệ thống điển
hình

ORBCOMM
Starsys

Đối xứng mặt đất
(hệ thống tương
xứng trên mặt đất)

Nhắn tin

Hệ thống LEO lớn
IRIDIUM
Globalstar
ICO
Hệ thống di động
tế bào (điện thoại
di động …)

Hệ thống LEO
băng rộng
Teledesic

Cáp quang

Bảng 1-2 : Các hệ thống LEO và hệ thống tương ứng mặt đất
Sự thay đổi từ thông tin vệ tinh địa tĩnh sang thông tin vệ tinh tầm thấp đã dẫn
đến sự ra đời của một số hệ thống vệ tinh toàn cầu mới, có thể được chia thành 3
nhóm như sau : Hệ thống LEO nhỏ (Little LEOs), hệ thống LEO lớn (Big LEOs),

hệ thống LEO băng thông rộng (Broadband LEOs). Cách tốt nhất để phân biệt các
hệ thống này là tham chiếu đến các hệ thống mặt đất tương ứng của chúng như
trong bảng 1-2 (theo [8]).
Trên mặt đất, các hệ thống nhắn tin (một kiểu truyền dữ liệu một chiều đến thiết
bị di động để thông báo cho người dùng, các thông tin trong bản tin có thể gồm một
số điện thoại của người dùng để gọi, một tin nhắn ngắn hoặc một thông tin cập
nhật), mạng di động tế bào, mạng cáp là các dịch vụ hoàn chỉnh, không cạnh tranh
lẫn nhau bởi nó cung cấp các loại dịch vụ cơ bản khác nhau. Tương tự như vậy các
hệ thống LEO nhỏ, LEO lớn và LEO băng thông rộng bổ sung cho nhau chứ không
cạnh tranh lẫn nhau bởi chúng cung cấp các dịch vụ thực sự khác nhau, nhắm vào
các thị trường khác nhau và có cấu trúc giá cả khác nhau.
Ứng dụng điển hình của các hệ thống LEO được thể hiện trong bảng 1-3. Tất
nhiên hệ thống LEO lớn có thể hỗ trợ các dịch vụ của hệ thống LEO nhỏ, hệ thống
17


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

LEO băng thông rộng có thể cung cấp các ứng dụng của hệ thống LEO lớn và LEO
nhỏ, tuy nhiên về mặt hiệu quả kinh tế, điều này không được khuyến khích [8].
Hệ thống LEO nhỏ

-

Nhắn tin
Email
Fax

Hệ thống LEO lớn


-

Dịch vụ thoại
Số liệu (tốc độ thấp)

Hệ thống LEO băng thông rộng

-

Hội nghị truyền hình đa phương tiên
Truy cập Internet
Hội nghị truyền hình sử dụng video
Video call
Dữ liệu tốc độ cao

Bảng 1-3 : Các dịch vụ của hệ thống LEO

18


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

2.

CHƢƠNG 2 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ
ANTEN VI DẢI
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN

2.1.


2.1.1. Khái niệm anten
Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai
cách:
- Dùng các hệ thống truyền dẫn, nghĩa là các hệ thống dẫn song điện từ như
đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn song kim loại hoặc điện
môi, v.v… Sóng điện từ lan truyền trong các hệ thống này gọi là loại sóng điện
từ ràng buộc.
- Bức xạ sóng ra không gian, sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự
do.

Hình 2-1 : Một số loại anten
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ ra không gian ngoài hoặc thu nhận sóng
điện từ từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Anten là bộ phận quan trọng
không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi đã là hệ thống vô
tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ và những hệ thống như
vậy không thể không dùng thiết bị để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ.

19


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

Một hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu,
anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như máy
thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường
truyền năng lượng điện từ gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ
tạo ra dao động điện từ cao tần. 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 trong fide thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của
anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói ở trên.

Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự
do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này
sẽ được truyền theo fide tới máy thu. Nhưng cần lưu ý rằng năng lượng điện từ mà
anten thu tiếp nhận từ không gian ngoài sẽ chỉ có một phần được truyền tới máy
thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp).
Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng
lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu.
Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống truyền
thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hang, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ
xa, v.v…
Ngoài ra, để kích thích sóng điện từ trong các hệ thống định hướng như ống dẫn
sóng, hốc cộng hưởng, v.v… người ta có thể sử dụng thêm các kết cấu tương tự như
anten.
Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có yêu cầu khác nhau.
Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong
mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ có thể nhận
được tín hiệu từ đài phát; song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng
thẳng đứng với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có
thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng
không cần thiết.

20


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

Trong thông tin mặt đất hoặc thông tin vệ tinh, thông tin truyền tiếp, rađa, vô
tuyến điều khiển v.v… thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng
bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian.
Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng

điện từ cao tần thánh sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo các hướng
nhất định với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.

Hình 2-2 : Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện đơn giản
Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, ra đa điều
khiển, v.v… cũng yêu cầu anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu
sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp
tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ
yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng, bao gồm các phần tử anten (dùng
để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng
cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ
thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện
cùng với thiết bị anten được cho như trên hình 2-2. [1]

2.1.2. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

21


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

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 trình này lặp
đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần 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 (xem hình 2-3).
Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten, nó sẽ hình thành hai trường. Một
trường là trường cảm ứng (trường khu gần – near field), trường này bị ràng buộc

với anten, có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten.
Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa – far field) gồm hai thành phần là điện
trường và từ trường.

Hình 2-3: Trường bức xạ của 1 anten
Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên
trường điện từ. Trường điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự
do. Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển. Trường khu xa là một sóng
phẳng; khi sóng truyền đi, năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng

22


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

dần theo khoảng cách. Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước
giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng.

2.2.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN VI DẢI
Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào

năm 1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới
được chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và
Munson và được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
z
Feed
Patch
y0


h
Khe bức xạ #1

Khe bức xạ #2

(r,Φ,θ)
Φ
(a) Anten vi dải

w

GND

L

x

(c) Hệ trục tọa độ

t

єr

θ

y

h
(b) Mặt phẳng cắt ngang


Hình 2-4 : Anten vi dải
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t <<
λ0, λ0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất
nhỏ ( h << λ0, thường thì 0,003 λ0< h < 0,05 λ0). Patch của anten vi dải được thiết kế
để có đồ thị bức xạ cực đại. Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng
mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch. Bức xạ end-fire cũng
có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động. Đối với một patch
hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng λ0/3 < L< λ0/2. Patch
và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền như hình 2-4.

23


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số
điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2,2< εr < 12. Những lớp điện môi
được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của
chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông
lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích
thước các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không
gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện môi lớn
hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới
hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng
thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn. Tuy nhiên vì sự mất mát lớn hơn,
dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn.

2.2.1. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống

khác. Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông
(square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình
quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular ring).
Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải,
anten khe dùng kỹ thuật in, anten vi dải sóng chạy.

Hình 2-5 : Các dạng anten vi dải thông dụng

24


Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp LEO

 Anten patch vi dải
Một anten patch vi dải,có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng,nằm trên một
mặt của chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten
patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến
được mô tả ở hình 2-5, chúng có đặc tính bức xạ gần giống nhau mặc dù hình dạng
khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình tròn được sử dụng
nhiều nhất. Thông thường chúng có độ lợi từ 5 – 6 dB và có độ rông búp sóng
3dB ở

-

–

.

Hình 2-6 : Anten vi dải lưỡng cực


 Anten vi dải lưỡng cực (Microstrip Dipole Antenna)
Về mặt hình học, anten vi dải lưỡng cực chỉ khác anten patch hình chữ nhật ở tỉ
lệ của chiểu rộng và chiều dài (hình 2-6). Chiều rộng của một anten lưỡng cực
thường nhỏ hơn 0.05 . Thành phần bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten
patch cũng tương tự nhau do chúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc. Tuy nhiên
điện trở bức xạ và băng thông của chúng lại rất khác nhau. Vi dải lưỡng cực không
những có nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ, phân cực tuyến tính… mà nó
còn là lựa chọn thích hợp với yêu cầu hoạt động ở tần số cao,khi độ dày của chất
nền lớn.

25