BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
************

NGUYỄN HUY HÙNG

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ
ANTENNA VI DẢI
(MICROSTRIP LINE)
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN & ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ NGÀNH :

LUẬN ÁN CAO HỌC

TP. HỒ CHÍ MINH, 06/2002

.



Nhận Xét Của CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

TP.HCM, ngày tháng 06 năm 2002
CB phản biện 1


Nhận Xét Của CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

TP.HCM, ngày tháng 06 năm 2002
CB phản biện 2


Nhận Xét Của CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
......................................................................................................................................

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

TP.HCM, ngày tháng 06 năm 2002
CB hướng dẫn



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NAM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

---O0O---

-------------

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN CAO HỌC
Họ và tên : NGUYỄN HUY HÙNG
Giới tính : NAM
Ngày, tháng, năm sinh : 18/09/1974
Nơi sinh : Tiền Giang
Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ .
Khoá (năm trúng tuyển) : 9 (1998)
I-

TÊN ĐỀ TÀI :
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTENNA VI DẢI
.

II-

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
Nghiên cứu lý thuyết antenna vi dải.
Nghiên cứu các mô hình phân tích antenna vi dải như: Transmission line, Cavity và

Full-wave.
Xây dựng giải thuật mô phỏng antenna vi dải bằng phương pháp FDTD
Thực hiện thiềt kế antenna vi dải và xác định các thông số của antenna trên.

IIIIV-

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

V-

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

VI-

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 :

VII-

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 2 :

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
2

PGS.TS. VŨ ĐÌNH THÀNH

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

CÁN BỘ PHẢN BIỆN


(Ký tên và ghi rõ họ, tên, học hàm học vị)
Nội dung và đề cương Luận án Cao học đã được thông qua Hội Đồng Chuyên Ngành
PHÒNG QUẢN LÝ KHOA HỌC –
SAU ĐẠI HỌC

Ngày . . . tháng . . . năm 2001
CHỦ NHIỆM NGÀNH


LỜI NÓI ĐẦU
Antenna vi dải (Microstrip Antenna) bao gồm một miếng kim loại nằm
trên lớp điện môi được nối đất. Những antenna này gọn nhẹ thích hợp cho các
ứng dụng di động. Bởi vì có khả năng làm việc với công suất thấp nên các
antenna vi dải thường được sử dụng trong những ứng dụng thu phát có công
suất thấp.
Antenna vi dải được nghiên cứu trong suốt 25 năm qua và nhiều nhược
điểm của chúng đã được khắc phục. Một triển khai rất hấp dẫn là sử dụng kỹ
thuật ghép hở (Aperture coupling) để đưa tín hiệu đến antenna. Kỹ thuật này
cho phép cách ly giữa đường dẫn tín hiệu và miếng kim loại (patch) dùng làm
antenna. Các đặc tính của antenna vi dải được cải thiện đáng kể bằng cách sử
dụng mạch in có cấu trúc nhiều lớp dầy và hằng số điện môi thấp. Hiện tại
băng thông của antenna đạt đến 65%
Sự lan truyền sóng bề mặt được giả định để xem xét các hệ số khác hạn
chế đến hiệu suất như tần số hoạt động trên, cross-coupling… Tuy nhiên vấn đề
này cũng được giải quyết bằng cách sử dụng cấu trúc bandgap.
Antenna vi dải là sự mở rộng của các mạch vi dải (microstrip circuit).
Điều này làm xuất hiện các antenna vi dải tích cực được tích hợp tạo nên các
bộ thu phát sử dụng trong nhiều ứng dụng như di động, mạng LAN vô tuyến…
có thể hoạt động ở hai tần số (dual frequency), điều khiển cực tính, mẫu bức
xạ… Vì thế antenna vi dải ngày càng trở nên thông dụng.

Cấu trúc của antenna vi dải trở nên phức tạp do sự không đồng nhất của
vật liệu điện môi, hoặc sử dụng vật liệu điện môi nhiều lớp để ngăn sóng bề
mặt, hay sử dụng kỹ thuập aperture coupling để tăng băng thông của antenna…
Các kỹ thuật phân tích antenna cũng sẽ phát triển. Kỹ thuật xem antenna vi
dải như đường dây truyền sóng là mô hình phân tích antenna vi dải đơn giản
nhất nhưng lại cho thấy được các ý nghóa vật lý rõ ràng tuy nhiên mức độ chính
xác không cao. Chính xác hơn thì mô hình cavity được đề nghị và sau cùng là
mô hình full-wave với việc giải phương trình Maxwell băng các phương pháp
số như FDTD, FEM…
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô, các anh chị đồng
nghiệp cùng các bạn đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm đề
tài, và đóng góp nhiều ý kiến quý báu nhằm hoàn thiện đề tài.


TÓM TẮT
Antenna vi dải (Microstrip Antenna) ngày càng phổ biến trong các hệ thống thông tin
vô tuyến cá nhân bởi vì chúng có một số ưu điểm như kích thước nhỏ, gọn, nhẹ dễ
tích hợp và cho độ lợi, hiệu suất chấp nhận được. Luận án đã trình bày cơ sở lý
thuyết antenna vi dải, các phương pháp dùng để phân tích antenna vi dải như mô hình
transmission line, mô hình Cavity, hay mô hình full-wave mà điển hình là phương
pháp FDTD (Finite Difference Time Domain). Sau cùng là phần thiết kế antenna vi
dải điển hình với các kết quả tính toán và mô phỏng bằng phương pháp FDTD
Luận án được phân làm 4 phần :
Chương I : Giới thiệu.
Chương này tóm tắt các lý thuyết cơ sở về antenna vi dải, các phương pháp
dẫn tín hiệu vào antenna, cơ chế bức xạ và các thông số cơ bản của antenna.
Chương II : Các mô hình phân tích antenna vi dải đối với patch chữ nhật.
Chương này trình bày lý thuyết của mô hình transmission line, mô hình
Cavity, Phân tích các thông số của antenna vi dải.
Chương III : Phương pháp FDTD.

Chương này trình bày lý thuyết về phương pháp FDTD và giải thuật cũng như
mô hình antenna vi dải đươc dùng để mô phỏng. Phân tích một số kết quả mô phỏng.
Chương IV : Tính toán và Thiết kế patch chữ nhật.
Chương này đưa ra một số công thức được tổng hợp từ các mô hình phân tích ở
trên để phục vụ cho việc tính toán thiết kế path chữ nhật với yêu cầu cụ thể: tần số
3Ghz, với điện môi loại RT Duriod 5880 có εr = 2.2 và bề dày của lớp điện môi là
h=0.68 mm. Các kết quả tính toán
Cuối cùng, chương trình mô phỏng FDTD được viết bằng phần mềm Matlab 5.3 được
trình bày trong phần phụ lục.


ABSTRACT
MICROSTRIP ANTENNA: ANALYSIS METHODS AND DESIGN
by

Nguyễn Huy Hùng
Microstrip antenna has been widely used more and more in personal radio communication
systems because it has some advantagess: compact size, light-weight, easy to integrate
with acceptable gain and effectiveness.
The thesis presents basic microstrip antenna theory, some methodes for microstrip antenna
analysis such as: Transmission line model, Cavity model, full-wave model typically in
FDTD (Finite Difference Time Domain) methode. Last section concerns about designing a
typical microstrip antenna with caculated results, simulated by FDTD methode
The thesis is divided into four chapters
Chapter I: Introduction
This chapter summarizes basic microstrip antenna theory, ways feeding signal into
antenna, radiation mechanism and basic parameters of an antenna
Chapter II: Microstrip Antenna analyzing for rectangular patch
This chapter presents the theory of transmission line model, cavity model and
analizes parameters of microstrip antenna

Chapter III: FDTD Methode
This sectioc presents the theory of FDTD methode, algorith, and microstrip antenna
model to be simulated, analizes some simulated results

Chapter IV: Caculating and Design a rectangular patch
This chapter privides some formulars deduced from mentioned analizing models in
previous chapter. The formulars are used for solving a particular problem designing a


rectangular patch with the following assumtions: Frequency 3Ghz, dielectronic type of RT
Durriod 5880 with er = 2.2 and h = 0.68mm
FDTD simulation program written in Matlab 5.3 will be present in appendix


MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chương 1: Giới thiệu antenna vi dải .................................................................1
I. Giới thiệu ...................................................................................1
1. Các ưu khuyết điểm của antenna vi dải .................................1
2. Cơ chế bức xạ của antenna vi dải...........................................2
3. Các dạng patch khác của antenna vi dải ................................6
II. Các kỹ thuật dẫn tín hiệu đến antenna..................................7
1. Dùng đường truyền vi dải .......................................................7
2. Dùng cáp đồng trục ................................................................7
3. Dùng phương pháp ghép xấp xó..............................................8
4. Dùng phương pháp ghép hở....................................................8
III. Các thông số cơ bản của antenna vi dải .................................9
1. Mẫu bức xa .............................................................................9ï
2. Tần số cộng hưởng ...............................................................11
3. Trở kháng ngõ vào................................................................11

4. Return loss ............................................................................11
5. Băng thông............................................................................11
6. Hiệu suất ...............................................................................12
7. Hướng tính ............................................................................12
8. Độ lợi ....................................................................................12
9. Cực tính.................................................................................13
IV. Trường bức xạ .........................................................................13
1. Các thế vector và phương trình của trường bức xạ...............13
2. Tính toán các đặc tính của antena vi dải ..............................16
Chương 2: Các mô hình phân tích antenna vi dải patch chữ nhật ...............18
I. Mô hình đường dây truyền sóng............................................20
1. Trường fringing.....................................................................20
2. Mô hình đường dây truyền sóng...........................................21
3. Trở kháng ngõ vào................................................................25
II. Mô hình hốc cộng hưởng ........................................................25
III. Trường bức xạ .........................................................................29
1. Beamwidth............................................................................31
2. Độ lợi hướng và độ lợi của antenna .....................................31
3. Công suất bức xạ và điện trở bức xạ....................................32
4. Hệ số phẩm chất ...................................................................33
5. Băng thông............................................................................35
6. Hiệu suất của antenna ..........................................................36


Chương 3: Phương pháp FDTD ........................................................................39
I. Giới thiệu ................................................................................39
II. Phương pháp FDTD trong không gian 3 chiều ....................40
1. Sơ đồ sai phân hữu hạn .........................................................40
2. Giải thuật Yee ......................................................................41
3. Hệ số từ thẩm và hằng số điện môi......................................43

4. Tín hiệu ngõ vào ...................................................................44
5. Patch .....................................................................................45
6. Điều kiện bờ .........................................................................45
7. Giải thuật và lưu đồ khối của chương trình ..........................50
III. Kết quả mô phỏng...................................................................53
Chương 4: Thiết kế patch chữ nhật .................................................................71
I. Lựa chọn lớp điện môi ............................................................71
II. Các mode của antenna ...........................................................72
III. Các công thức tính kích thước của antenna.........................74
IV. Thiết kế cụ thể ........................................................................77
1. Kích thước .............................................................................77
2. Phối hợp trở kháng ...............................................................77
3. Tính mẫu bức xạ ...................................................................78


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Chương 1:
I.

GIỚI THIỆU

Giới thiệu:

Khái niệm bộ bức xạ vi dải được Deschamps đề nghị đầu tiên vào 1953.
Tuy nhiên vào những năm 1970 thì mới thực sự phát triển do vật liệu điện môi
có suy hao thấp và các mô hình về lý thuyết tốt hơn
Một antenna vi dải (Microstrip Antenna) có cấu trúc đơn giản nhất như

hình 1.1 là gồm một miếng kim loại (gọi là patch) nằm trên lớp điện môi
(dielectric substrate) và mặt phẳng còn lại ở dưới lớp điện môi là mặt phẳng đất.
Patch dẫm điện thông thường là đồng hoặc vàng có thể có bất kỳ hình dạng nào.
Tuy nhiên dạng cơ bản và được sử dụng nhiều nhất là dạng chữ nhật
Patch

Lớp điện môi

Mặt phẳng đất

Hình 1.1: Cấu trúc của antenna vi dải
1. Những ưu và nhược điểm của antenna vi dải:
Antenna vi dải có nhiều ưu điểm so với những antenna thông thường do
đó có rất nhiều ứng dụng trong khoảng tần số từ 100Mhz đến 50Ghz hoặc cao
hơn.
Những ưu điểm chính như sau:
• Trong lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn
• Giá thành thấp
• Cực tính có thể là tuyến tính hoặc phân cực tròn bằng cách thay đổi vị trí
đưa tín hiệu vào
• Có thể hoạt động ở hai tần số
• Đường dẫn tín hiệu và mạch phối hợp trở kháng có thể được chế tạo đồng
thời với cấu trúc của antenna
• Tương thích với những thiết kế module (Chẳng hạn như các bộ dao động,
khuếch đại, bộ biến đổi suy hao,…) và dễ dàng tích hợp với những mạch
tích hợp microwave
Tuy nhiên cũng có một vài khiếm khuyết so với antenna thông thường ở
dải tần viba như:

1


GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

• Băng thông hẹp
• Có suy hao và do đó cho độ lợi thấp
• Các antenna viba thông thường bức xạ hầu hết năng lượng trong nữa mặt
phẳng
• Chất lượng bức xạ tương đối thấp
• Việc cách ly giữa đường dẫn và phần tử bức xạ kém
• Tạo ra sóng bề mặt
• Antenna vi dải được chế tạo với điện môi có hằng số điện môi tương đối
cao thì có thể dễ dàng tích hợp. Tuy nhiên hằng số điện môi cao sẽ cho
hiệu suất kém và băng thông hẹp
Có nhiều cách để giảm thiểu những nhược điểm trên của antenna vi dải.
Chẳng hạn như bằng những kỹ thuật đặc biệt thì băng thông của antenna tăng
đến 60% sóng bề mặt thì sử dụng cấu trúc bandgap…
2. Cơ chế bức xạ của antenna vi dải:
Một cấu trúc tương tự như antenna vi dải là đường truyền vi dải cũng có
bức xạ trên đường truyền và phụ thuộc vào bề dầy của lớp điện môi và hệ số
điện môi. Nếu bề dầy mỏng và hằng số điện môi cao sẽ có bức xạ thấp sẽ giảm
thiểu bớt ảnh hưởng bức xạ của đường truyền. Trong khi đó bức xạ từ antenna vi
dải sẽ tốt hơn nếu bề dầy lớp điện môi cao và hằng số điện môi cũng lớn. Do đó
lớp điện môi sẽ dầy và hằng số điện môi sẽ phải chọn có giá trị nhỏ. Việc bức
xạ từ antenna vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch kim loại
và mặt phẳng đất. Cách khác là bức xạ có thể được xác định từ phân bố dòng

điện bề mặt trên patch kim loại. Tính toán chính xác phân bố trường hoặc dòng
điện trên bề mặt của patch thì rất phức tạp và được đề cập đến sau. Tuy nhiên
có thể sử dụng các xấp xó để xem xét cơ chế bức xạ
Xét patch của antenna vi dải được nối đến nguồn microwave. Năng lượng
của patch sẽ thiết lập các phân bố điện tích ở trên và dưới bề mặt của patch
cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất. Lực đẩy nhau giữa các điện tích cùng
dấu ở bề mặt patch bên dưới sẽ có khuynh hướng đẩy một vài điện tích từ bề
mặt bên dưới patch ra các cạnh và đến bề mặt phía trên của patch. Sự di chuyển
→

→

của các điện tích này tạo nên mật độ dòng tương ứng là jb và j t ở bề mặt bên
dưới và bên trên của patch như trong hình 1.2. Đối với hầu hết các antenna vi dải
thì tỷ số h/W rất nhỏ. Vì thế lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế và hầu hết
sự tập trung của các điện tích và dòng vẫn nằm bên dưới patch. Một lượng nhỏ
dòng đi đến các cạnh của patch và đến bề mặt trên của patch và tạo ra từ trường
tiếp tuyến với các cạnh nhỏ. Vì vậy một xấp xó đơn giản là xem từ trường tiếp
tuyến ở các cạnh của patch là zero và xem như có bức tường từ xung quanh chu

2

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

vi của patch. Giả định này sẽ có giá trị hơn đối với lớp điện môi mỏng và có

hằng số điện môi cao. Cũng do lớp điện môi mỏng nghóa là chiều cao nhỏ hơn
nhiều so với bước sóng trong lớp điện môi ( h << λ ) và sự thay đổi của trường
dọc theo chiều cao có thể xem như là hằng số và gần bằng điện trường trên bề
mặt của patch. Do đó patch có thể được mô hình như hốc cộng hưởng (cavity)
với các bức tường điện ở trên vàdưới cùng các bức tường từ ở xung quanh. Chỉ
có mode TM trong hốc cộng hưởng do vậy phân bố điện trường ở mode TM10
của hốc như hình 1.3

Hình 1.2: Phân bố điện tích trên antenna vi dải

Hình 1.3: Phân bố điện trường đối với mode TM
Bốn bức tường từ có bốn khe hẹp dùng để bức xạ. Sử dụng nguyên lý
Huygen thì patch của antenna vi dải có thể được tươngï trưng bằng mật độ dòng
→

j t ở bề mặt trên của patch được xem là tượng trưng cho patch kim loại

Bốn khe ở các cạnh được tượng trưng bằng mật độ dòng tương đương
→

→

→

→

j s và M s tương ứng với từ trường và điện trường H a và E a . Dòng tương đương

được thể hiện trong hình 1.4a và được xác định


3

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna
→

∧

→

j s = n× H a
→

∧

(I.1)

→

M s = n× E a

Hình 1.4a: Mâät độ dòng trong patch vi dải chữ nhật với Js và Ms

Hình 1.4b: Mật độ dòng với Js = 0 và Ms

4


GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Hình 1.4c: Mật độ dòng tương đương Ms không có mặt phẳng đất
→

Đối với lớp điện môi mỏng, dòng trên patch j t nhỏ hơn nhiều so với dòng
→

jb . Do vậy có thể xem là zero để bỏ qua bức xạ từ dòng trên patch. Tương tự từ
→

trường tiếp tuyến dọc theo cạnh của patch với mật độ dòng tương ứng là j s có
thể được xem là zero. Do đó chỉ còn mật độ dòng khác zero tương đương với mật
→

độ dòng từ M s dọc theo chu vi của patch như hình 1.4b. Mặt phẳng đất cần được
xem xét ở đây bằng lý thuyết ảnh mà sẽ làm cho mật độ dòng từ tăng gấp đôi.
Do đó bức xạ từ patch có thể được gán cho bức xạ dòng từ ở xung quanh patch
vào không gian như hình 1.4c. Mật độ dòng từ mới là:
→

∧

→


M s = −2. n× E a

(I.2)

→

Điện trường ở khe E a đối với mode được xác định như hình 1.3 được định
→

nghóa là E a = zˆE 0 đối với khe có chiều dài W và cao h. Tương tự cho hai khe
khác có chiều dài là L vaø cao h

( L)

r
E a = − zˆE 0 sin πx

(I.3)

Mật độ dòng từ tương đương trong khe như hình 1.5. Sử dụng nguyên lý
→

tương đương mỗi khe bức xạ cùng trường như là dipole từ với mật độ dòng M s .
Bức xạ được tạo ra dọn theo trục x gần như là zero bởi vì phân bố dòng trong
môi khe là bằng nhau và ngược cực tính . Tuy nhiên các khe dọc theo trục y
được tạo thành từ hai phân tử với mật độ dòng có biên độ bằng nhau, cùng pha
và cách nhau L (chiều dài của patch). Do đó bức xạ từ patch có thể được xem
như từ hai khe dọc. Do điện môi trong các khe dọc không đồng nhất nên rất khó
phân tích và có thể thay thế tương đương như hình 1.6


Hình 1.5a: Phân bố mật độ dòng từ với mode TM100 ở khe bức xạ

5

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Hình 1.5b: Mật độ dòng ở khe không bức xạ
Khe bức xạ
L

W

Hình 1.6: Patch antenna với bức xạ ngang tương đương
3. Các dạng patch khác:
Antenna vi dải được đặc trưng chủ yếu bởi các thông số vật lý nhiều hơn
so với các antenna viba thông thường. Có thể có nhiều hình dạng hình học và
kích thước khác nhau. Các antenna vi dải có thể được chia thành bốn loại: patch
vi dải (microstrip patch), lưỡng cực vi dải (microstrip dipoles), printed slot
antenna, và travelling-wave antenna. Tuy nhiên antenna dạng patch được sử
dụng rất nhiều trong khi các dạng khác được dùng trong những ứng dụng đặc
biệt. Antenna dạng patch có nhiều dạng hình học khác nhau mặc dù có cùng đặc
tính bức xạ. Các dạng cơ bản của patch như vuông, tròn (Disk), Ellipse, tam
giác…


Vuông

Tròn

Ellipse

Tam giác

Hình 1.7: Các dạng patch khác nhau

6

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

II.

Microstrip Antenna

Các kỹ thuật dẫn tín hiệu đến antenna

Để dưa tín hiệu đến antenna và phối hợp trở kháng có nhiều cấu hình
khác nhau được sử dụng. Cơ bản có bốn loại là dùng đường truyền vi dải, cáp
đồng trục, bộ ghép xấp xó (Proximity coupling) hay bộ ghép hở (Aperture
coupling).
Dùng đường truyền vi dải hay cáp đồng trục được xem là nhóm đưa tín
hiệu trực tiếp trong khi ghép xấp xó hay ghép hở được xem là nhóm đưa tín hiệu
gián tiếp. Nhóm đưa tín hiệu gián tiếp sẽ gặp một số nhược điểm như băng

thông hẹp so với nhóm đưa tín hiệu trực tiếp.
1. Dùng đường truyền vi dải
Phương pháp này dễ chế tạo với các mô hình đơn giản và phối hợp trở
kháng bằng cách thay đổi điểm đặt (vị trí) của đường truyền vào patch như hình
1.8

Hình 1.8: Đường dẫn tín hiệu bằng vi dải
Để cải thiện băng thông hoạt động người ta sử dụng điện môi có bề dầy
lớn để gia tăng sóng bề mặt nhưng đồng thời cũng giảm chất lượng của antenna
2. Dùng cáp đồng trục
Đường dẫn cáp đồng trục được quan tâm đầu tiên trong quá trình phát
triển antenna vi dải. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì dễ chế tạo, phối
hợp trở kháng và ít tạo ra bức xạ trên đường truyền. Vật dẫn bên trong của cáp
sẽ được nối với patch trong khi vật dẫn bên ngoài sẽ được nối jvới mặt phẳng đất
như hình 1.9.

7

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Hình 1.9: Ghép nối bằng cáp đồng trục
Nhược điểm của phương pháp này là băng thông hẹp và rất khó kết nối
nếu như lớp điện môi dầy. Nhưng cũng như đường truyền vi dải phương pháp
này có thể tạo ra các mode truyền bậc cao
3. Dùng phương pháp ghép xấp xó

Phương pháp dẫn tín hiệu gián tiếp làm việc dựa trên nguyên lý đường
dẫn tín hiệu không cần thiếp phải tiếp xúc với bộ cộng hưởng bởi vì nó ó thể
được kích thích bởi sự ghép xấp xó. Ghép xấp xó hay ghép điện từ có thể được
thực hiện bằng hai phương pháp như hình 1.10. Phương pháp đầu tiên tạo ra khe
nhỏ giữa đường dẫn và patch trên cùng một lớp điện môi. Phương pháp thứ hai
là đặt patch và đường dẫn ở hai lớp khác nhau. Sử dụng lớp điện môi mỏng có
hệ số điện thẩm cao. Phương pháp này khó thực hiện nhưng cho băng thông lớn
nhất.

Hình 1.10: Ghép xấp xó
4. Dùng phương pháp ghép hở
Đây là phương pháp ghép khó nhất trong tất cả các phương pháp ghép đưa
tín hiệu vào. Các phần tử của antenna được hình thành từ hai lớp điện môi được
cách ly bởi mặt phẳng đất ở giữa. Phần tử patch bức xạ nằm ở lớp điện môi trên
có một khe nằm trên mặt phẳng đất dưới patch và ở giữa. Đường dẫn tín hiệu là
đường truyền vi dải nằm ở mặt đáp của lớp điện môi dưới như hình 1.11

8

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Hình 1.11: Ghép hở
III.

Các thông số cơ bản của antenna


1. Mẫu bức xạ:
Công suất bức xạ hay thu được từ antenna thực sự là hàm của góc và
khoảng cách bức xạ kể từ antenna. Mẫu bức xạ được biểu diễn bởi đồ thị công
suất 3 chiều với góc ngẩng và góc phương vị. Ngoài ra cũng có thể vẽ mẫu bức
xạ với mặt phẳng E hay H với 1 góc được giữ cố định vào góc khác thay đổi
Sự bức xạ của sóng trong không gian đôái với mặt phẳng E hay H sẽ là
zero ở trục ngang nếu xem như mặt phẳng đất là vô hạn. Mẫu của mặt phẳng E
phẳng và rộng với beamwidth 1000. Mặt phẳng H thì tương tự nhưng ngoại từ tại
trục ngang là zero do mặt phẳng đất dẫn điện.

Hình 1.12: Mẫu bức xạ của mặt phẳng E và H
Mẫu bức xạ bao gồm tỷ lệ trục, độ lợi, beamwidth (độ rộng chùm tia) hay
mức độ của các thùy…là mot trong những đặc tính cơ bản và quan trọng của bất
kỳ ứng dụng antenna nào.

9

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Trong hình 1.13 và 1.14 thùy chính của mẫu bức xạ chính là độ lợi hướng
cực đại trong khi tất cả các thùy khác được gọi là thùy phụ (sidelobes) mà nó
được xem như là sự bức xạ theo bất kỳ hướng nào khác so với hướng cho độ lợi
cực đại. Khái niệm minor lobe cũng được xem là các thùy khác so với thùy
chính. Mặc dù có nhiều loại mẫu bức xạ nhưng dạng chung nhất là đẳng hướng

(Omni- directional) pencil beam, fan beam, và sharped beam

Hình 1.13: Các thùy bức xạ và beamwidth của mẫu antenna

10

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

Hình 1.14: Mẫu bức xạ trong không gian hai chiều tuyến tính

2. Tần số cộng hưởng
Là tần số hoạt động ở điểm trung tâm của băng thông và là tần số mà độ
lợi của antenna đạt cực đại cũng như return loss đạt cực đại
3. Trở kháng ngõ vào
Trở kháng ngõ vào của antenna được xem như là trở kháng tượng trưng
cho antenna hay là tỷ số giữa điện áp và dòng điện đi vào antenna. Trở kháng
ngõ vào của antenna bao gồm cả thành phần thực và ảo
Zin = Rin + jXin

(I.4)

Thành phần thực của trở kháng được xem như điện trở ngõ vào mà nó
tượng trưng cho công suất tiêu hao do nhiệt hay suy hao bức xạ. Thành phần ảo
là thành phần không mong muốn tượng trưng cho điện kháng của antenna và là
công suất được trữ trong vùng trường gần (near field) của antenna. Trong thiết

kế antenna cần đạt đến giá trị trở kháng là Zin = (50 + j0) Ω
4. Return loss
Return loss là cách thức thuận tiện để mô tả nguồn tín hiệu ngõ và vào ra.
Đại lượng này được chỉ định là phép đo công suất suy hao do mất phối hợp trở
kháng tải và ý nghóa của nó đơn giản là lượng công suất bị mất đi do tải và
không quay về dưới dạng sóng phản xạ. Nói cách khác khi tải mất phối hợp thì
không phải tất cả công suất từ nguồn đi đến tải đều được tiêu thụ mà chỉ có một
phần và phần còn lại được phản xạ trở về nguồn. Phần công suất được tiêu thụ
tại tải được gọi là return loss và được xác định như sau:

11

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

(I.5)

RL = −20 log Γv

Trong đó Γv là hệ số phản xạ điện áp.
Trong trường hợp phối hợp trở kháng thì Γv = 0 và RL → ∞ (dB)nghóa là
không có thành phần công suất nào được phản xạ. Ngược lại nếu toàn bộ công
suất được phản xạ Γv = 1 và RL = 0. Nếu có một nữa công suất không được phản
xạ từ tải thì RL = -3dB còn gọi là điểm nữa công suất
5. Băng thông
Băng thông của antenna thật ra được định nghóa là dải tần số có thể được

sử dụng mà chất lượng của antenna phù hợp với các tiêu chuẩn đã được chỉ định
và bị giới hạn bởi sự mất phối hơp trở kháng hoặc mẫu bức xạ xấu nhất. Băng
thông có thể là một dải tần số nằm một phía của tần số trung tâm mà các đặc
tính của antenna như trở kháng ngõ vào, mẫu bức xạ, beamwidth, cực tính, độ
lợi… nằm trong giá trị có thể chấp nhận được.
Đối với antenna băng hẹp thì băng thông đươc biểu diễn như là phần trăm
của sự sai biệt giữa tần số trên và dưới so với tần số trung tâm. Ví dụ như băng
thông là 6% nghóa là sự sai biệt tần số có thể chấp nhận được là 6% so với tần số
trung tâm. Để xác định băng thông của antenna từ đồ thị giữa RL và tần số ta có
công thức sau
BW(%) = [(fupper - flower)/fc ]x100%

(I.6)

Hình 1.15: Đồ thị của Return Loss (RL) so với tần số

12

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành


Luận văn cao học

Microstrip Antenna

6. Hiệu suất của antenna
Hiệu suất của antenna được định nghóa như là tỷ số của tổng công suất
được bức xạ bởi antenna với công suất ở ngõ vào của antenna. Bởi vì cũng giống
như các linh kiện microwave khác antenna cũng bị suy hao do vật dẫn hay do
điện môi

7. Hướng tính:
Người ta mong muốn rằng mẫu bức xạ cực đại của antenna chỉ theo một
hướng cố định để phát hoặc thu công suất. Như vậy hướng tính của antenna phụ
thuộc vào hình dạng của mẫu bức xạ. Độ lợi hướng của antenna theo hướng đã
cho là phép đo công suất bức xạ của antenna theo hướng đã cho so với công
suất bức xạ từ nguồn điểm đẳng hướng
8. Độ lợi của antenna
Là tỷ số giữa công suất ở ngõ vào của antenna đã cho với công suất ở ngõ
vào của antenna chuẩn (reference antenna) sao cho tại điểm quan sát thu được
cường độ trường như nhau. Độ lợi của antenna thông thường được tính bằng dB
và đơn giản là độ lợi được xét theo hướng bức xạ cực đại.
Độ lợi cực đại là tích của hướng tính D với hiệu suất của antenna η
(I.7)

G = D ×η

Tùy thuộc vào antenna chuẩn mà có thể có các khái niệm độ lợi khác
nhau:
-

Độ lợi tuyết đối (Gi): Khi antenna chuẩn là antenna đẳng hướng trong
không gian

-

Độ lợi tương đối đối với dipole nửa bước sóng (Gd) (antenna lưỡng cực
nửa bước sóng) khi antenna chuẩn là loại dipole λ/2 với mặt phẳng xích
đạo là hướng được xem xét

-


Độ lợi tương đối so với antenna phân cực dọc ngắn (Gr) khi antenna chuẩn
được xem xét là vật dẫn tuyến tính ngắn hơn λ/4 thông thường bề mặt của
vật dẫn là hướng được xem xét

9. Cực tính của antenna
Cực tính của antenna thông thường là cực tính của vector điện trường của
sóng bức xạ. Ta có thể hiệu như là hướng của vector điện trường được quan sát
từ nguồn tín hiệu theo thời gian. Các kiểu phân cực thông thường và điển hình là
tuyến tính (bao gồm phân cực dọc và ngang) và tròn (xoay trái hoặc xoay phải).
Nếu đường đi của vector điện trường là tới lui theo một đường thì là phân cực
tuyến tính trong khi đó phân cực tròn thì vector điện trường vẫn có cùng độ lớn
nhưng đường đi của nó là vòng tròn
13

GVHD:PGS. Tiến só Vũ Đình Thành