thiết kế anten vi dài băng rộng

Khóa luận gồm 4 chương: Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xo

Trang 2

Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Trần Minh Tuấn, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp

đỡ em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận Không có sự giúp đỡ và những lời khuyên vô giá của thầy, khóa luận của em không thể được hoàn thành

Thêm nữa, em cũng muốn bày tỏ lời cảm ơn tới GS Phan Anh và Ths Trần Thị Thúy Quỳnh đã kịp thời trả lời những câu hỏi và những thắc mắc của em trong quá trình thực hiện khóa luận, cũng như đã tạo điều kiện thuận lợi để em sử dụng các thiết bị, máy móc trong phòng thí nghiệm để thực hiện chế tạo và đo đạc thực nghiệm

Cuối cùng, em muốn cảm ơn sâu sắc tới gia đình em Gia đình đã yêu thương, ủng hộ

và giúp đỡ em không chỉ trong thời gian làm khóa luận mà trong cả khóa học

Trang 3

TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN

Khóa luận tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một anten vi dải băng rộng, có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần Anten này sử dụng cho các thiết bị di động hoạt động trong các dải tần GSM, DCS, PCS, UTMS, WLAN Anten được chế tạo trên chất nền

có hằng số điện môi εr = 4.4, độ dày là 0.8 mm và được thiết kế tại tần số 900 MHz và

và thiết kế Một số điểm tổng quát về đường truyền vi dải cũng được trình bày Chương 2 đưa ra các phương pháp để thiết kế anten vi dải băng rộng và anten vi dải có thể hoạt động tại nhiều băng tần Trong đó, một số phương pháp để thiết kế anten vi dải được trình bày như: phương pháp phối hợp trở kháng liên tục, phương pháp sử dụng chất nền dày hơn, phương pháp kích thích đa mode, phuơng pháp sử dụng nhiều patch xếp chồng nhau, … Đồng thời đưa ra các phương pháp để thiết lập anten vi dải

có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau Việc thiết kế các anten băng rộng

và đa dải tần đáp ứng xu thế tích hợp, thu nhỏ kích thước cho các thiết bị di động đa năng

Phần thứ hai đi vào thiết kế, mô phỏng và đo đạc các tham số của anten Chương 3 trình bày phương pháp thiết kế các thành phần của anten: thành phần bức xạ, bộ phối hợp trở kháng dải rộng, và đường truyền vi dải 50 Ω Chương 4 trình bày quá trình mô phỏng, qui trình thiết kế và đo đạc thực nghiệm Phần mô phỏng giới thiệu về phần mềm Ansoft HFSS, phần mềm được sử dụng trong mô phỏng các bài toán điện từ 3D Trong đó trình bày việc thiết đặt các tham số quan trọng để thực hiện phân tích cấu trúc anten, kết quả mô phỏng cấu trúc anten có nhánh điều chỉnh và không có nhánh điều chỉnh Sau khi quá trình thiết kế, mô phỏng đã hoàn thành (đạt được các tiêu chí yêu cầu), tiến hành chế tạo và đo đạc các tham số của anten sử dụng máy Network Analyse và hệ đo trường bức xạ của anten

Kết quả đo đạc thực nghiệm và kết quả mô phỏng cho anten được thiết kế trong khóa luận tương đối phù hợp nhau Dựa vào việc phân tích kết quả và phân tích qui trình chế tạo anten, khóa luận đưa ra các nguyên nhân gây ra sai lệch Đồng thời đề ra phương hướng giải quyết và phương hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm cải thiện các đặc tính của anten

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN ii

MỤC LỤC iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải 1.1 Lý thuyết chung về anten 3

1.1.1 Giới thiệu 3

1.1.2 Các tham số cơ bản của anten 5

1.1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 5

1.1.2.2 Giản đồ bức xạ 6

1.1.2.3 Mật độ công suất bức xạ 10

1.1.2.4 Cường độ bức xạ 11

1.1.2.5 Hệ số định hướng 12

1.1.2.6 Hệ số tăng ích 13

1.1.2.7 Băng thông 14

1.1.2.8 Phân cực 15

1.1.2.9 Trở kháng vào 17

1.2 Đường truyền vi dải và anten vi dải 18

1.2.1 Đường truyền vi dải 18

1.2.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 18

1.2.1.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải 18

1.2.2 Anten vi dải 19

1.2.2.1 Giới thiệu chung 19

1.2.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản 20

1.2.2.3 Anten patch hình chữ nhật 22

Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần 2.1 Giới thiệu chung 24

2.1.1 Dải thông tần 24

2.1.2 Dải tần công tác 25

2.2 Mở rộng băng thông của anten vi dải 25

2.2.1 Giới thiệu 25

2.2.2 Ảnh hưởng của các tham số chất nền tới băng thông 27

2.2.3 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp 28

2.2.4 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp 29

2.2.5 Kỹ thuật kích thích đa mode 30

2.2.5.1 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng 30

2.2.5.2 Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng 31

2.2.5.3 Các kỹ thuật kích thích đa mode khác 35

2.2.6 Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác 35

2.2.6.1 Phối hợp trở kháng 36

2.2.6.2 Mắc tải điện trở 37

Trang 5

2.3 Anten vi dải nhiều băng tần 37

2.3.1 Anten vi dải 2 tần số cộng hưởng 37

2.3.2 Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hưởng 38

2.4 Phối hợp trở kháng dải rộng 39

2.4.1 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 39

2.4.2 Phối hợp trở kháng dải rộng 39

2.4.3 Một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng 42

2.4.3.1 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng hàm mũ 42

2.4.3.2 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác 43

2.4.3.3 Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein 44

2.4.4 Tiêu chuẩn Bode – Fano 46

Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải 3.1 Giới thiệu 48

3.2 Thiết kế thành phần bức xạ 49

3.3 Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng 50

3.3.1 So sánh một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng 50

3.3.2 Lựa chọn bộ phối hợp trở kháng dải rộng 52

3.4 Thiết kế đường truyền vi dải 50 Ω 53

3.4.1 Thiết kế với Ansoft Designer 2.0 53

3.4.2 Thiết kế dựa vào lý thuyết đường truyền vi dải 54

3.4.2.1 Trở kháng đặc trưng Z0 54

3.4.2.2 Bước sóng trên đường vi dải λ 55

3.4.2.3 Công suất cho phép trung bình Pav 57

3.4.2.4 Công suất cho phép tối đa Pp 58

Chương 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten 4.1 Mô phỏng cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS 59

4.1.1 Phần mềm HFSS phiên bản 9.1 59

4.1.2 Kết quả mô phỏng với HFSS 9.1 61

4.2 Chế tạo anten 67

4.3 Đo đạc các tham số của anten 69

PHỤ LỤC 73

A Phụ lục 1: Thuật toán chia lưới thích nghi của Ansoft HFSS 9.1 73

B Phụ lục 2: Một số lưu ý về thiết đặt các tham số trong HFSS 74

B.1 Solution Setup 74

B.2 Mesh Operations 77

B.3 Radiation Boundary 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

Trang 6

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, 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 đầu cuối, …; chúng 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 phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu 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 đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz)

Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp, và mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện nay Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải Nhiều sự cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với cả hai loại phân cực, phân cực tròn và tăng ích cao đã được báo cáo trong một vài năm gần đây

Khóa luận tập trung thiết kế một anten vi dải băng rộng và đa dải tần Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và giao diện đồ họa đẹp để mang đến sự hiểu biết sâu sắc đối với tất cả các bài toán trường điện từ 3D

Khóa luận gồm 4 chương:

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải

Chương 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần

Chương 3: Thiết kế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền vi dải

Chương 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten

Bằng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, kết hợp với mô phỏng khóa luận đã thực hiện được những nội dung chính sau đây:

Trang 7

¾ Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten vi dải

¾ Nêu ra nguyên lý và các phương pháp để xây dựng anten vi dải băng rộng và anten có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần

¾ Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải dẹt có cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đường truyền mạch dải

hưởng, băng thông, trở kháng vào, giản đồ bức xạ

Trang 8

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI

CHƯƠNG 1

Tóm tắt

Chương này trình bày các vấn đề sau:

¾ Định nghĩa anten

¾ Các tham số cơ bản của anten

¾ Đường truyền vi dải

¾ Anten vi dải, mô tả cụ thể anten vi dải có patch hình chữ nhật

1.1 Lý thuyết chung về anten

1.1.1 Giới thiệu

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình 1.1 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 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 cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện

từ ràng buộc Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và 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

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng [3]

Trang 9

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng Zc, và anten được thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể hiện

sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), 2 thành phần mất mát này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng XA thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn có trường điện từ dao động ở gần anten, giàng buộc với anten Phần công suất này không bức xạ

ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn Công suất này gọi là

tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ Rr Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các mất mát do điện môi và mất mát do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo

sự mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.1 [3]

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa nhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn Khi đó trên đường truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứng điển hình được thể hiện là đường gạch đứt trong hình 1.2 Nếu hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn Tổng mất mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền mất mát thấp, trong khi mất mát do anten có thể được

giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính là anten

Một phương trình tương tự như hình 1.2 được sử dụng để thể hiện hệ thống anten trong chế độ thu, ở đó nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả các phần khác của

Trang 10

phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ Rr được sử dụng để thể hiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten

Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thống không dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo một vài hướng

và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten cũng cần phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa, anten cũng phải có các hình dạng khác nhau

để phù hợp cho các mục đích cụ thể

Anten là một lĩnh vực sôi động Công nghệ anten đã là một phần không thể thiếu trong các giải pháp truyền thông Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thời gian cách đây hơn 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay; tuy nhiên các kết quả mới và những thay đổi

đã được đưa ra ngày nay, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày càng lớn hơn

1.1.2 Các tham số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, …

1.1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này giàng buộc với anten; còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường

và từ trường (xem hình 1.3)

Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa [8]

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường ở khu xa là các sóng phẳng Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng

Trang 11

1.1.2.2 Giản đồ bức xạ

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là

sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 1.4

Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [3]

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của φ, và giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng Mặc dù

nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại

Trang 12

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình 1.5 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với [ f(φ),θ =π/ 2] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g(θ),φ =const]

Hình 1.5 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [3]

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ được thể hiện trong hình 1.6 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với φ = 0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ =π/2) là mặt phẳng H

Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [3]

Trang 13

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các thùy (lobe)

có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 1.7(a) minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường độ bức

xạ lớn hơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy Hình 1.7(b) thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 1.7(a))

Hình 1.7 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính [3]

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten

(b) Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính) được định nghĩa là “thùy chứa hướng bức

xạ cực đại” Trong hình 1.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ =0 Có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Thùy phụ là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính Thường thường, thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính Thùy sau là “thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 độ so với thùy chính Thường thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với thùy chính

Trang 14

Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng không mong muốn, và chúng phải được tối thiểu hóa Thùy bên thường là thùy lớn nhất trong các thùy phụ Cấp của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất theo hướng của thùy đó với mật độ công suất của thùy chính Tỉ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên

Trường khu gần và trường khu xa

Không gian bao quanh một anten được chia thành 3 vùng; (a) trường gần tác động trở lại (reactive near-field), (b) trường gần bức xạ (radiating near-field, Fresnel) và (c) trường xa (Fraunhofer) như chỉ ra trong hình 1.8

Các vùng trường được phân định như vậy để xác định cấu trúc trường trong mỗi vùng Không có sự thay đổi trường đột ngột nào khi đi qua biên giới giữa các vùng nói trên Các biên phân giới các vùng trường không phải là duy nhất, do có nhiều tiêu chuẩn khác nhau sử dụng để xác định các vùng trường

Vùng trường gần tác động trở lại (reactive near-field region) được định nghĩa là

“phần không gian trường gần trực tiếp bao quanh anten, xét ở khía cạnh trường tác động trở lại chiếm ưu thế” Trường này giàng buộc với nguồn bức xạ và trao đổi năng lượng với nguồn Với hầu hết các anten, biên của vùng này được tính tại khoảng cách

λ

/62

nhất của anten

Hình 1.8 Các vùng trường của một anten [3]

Vùng trường gần bức xạ (radiating near-field (Fresnel) region) được định nghĩa là

“phần không gian nằm giữa trường gần tác động trở lại và trường xa, xét ở khía cạnh trường bức xạ chiếm ưu thế” Nếu đường kính cực đại của anten không lớn hơn so với bước sóng, vùng này có thể không tồn tại Biên trong được tính ở khoảng cách

λ

/62

Trang 15

Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Vùng trường xa (Far-field (Fraunhofer) region) Nếu anten có kích thước lớn nhất là

D (D phải lớn hơn bước sóng, D>λ), vùng trường xa thường được xem là tồn tại ở

cực Trong vùng trường xa, dạng của giản đồ bức xạ hầu như không thay đổi khi dịch chuyển điểm quan sát ra xa dần Điều này được minh họa trong hình 1.9

cường độ điện trường tức thời (V/m)

cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó Phương trình là:

vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

vi phân diện tích của bề mặt (m2)

Trang 16

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ Khi trường

H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời

t j

Thành phần đầu tiên của (2.5) không biến đổi theo thời gian, và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước Vector Poynting trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viết lại là:

, ( [ 2 1

] ) , , ( )

, , ( [ 2 ] , , ( [ 2

)

,

(

2 2

2 2 2

φθφ

θη

φθφ

θη

φθη

φ

θ

φ θ

o

E

r E r

E

r r

Trang 17

r

e E

E , là các thành phần điện trường trong trường xa của anten

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ, như được cho bởi (2.8) trên toàn góc đặc 4π Do đó:

không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn”

Đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính bằng với tỉ lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (U0):

rad P

U U

U D

0

max 0

Ở đó, D là hướng tính (không có thứ nguyên)

D0 là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

Umax là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc)

U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc)

Prad là tổng công suất bức xạ (W)

Với nguồn đẳng hướng, hiển nhiên từ (2.10) hay (2.10a) ta nhận thấy rằng hướng tính bằng 1 khi U, Umax và U0 bằng nhau

Với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ số định hướng riêng (partial directivity), theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước, là tỉ lệ của cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Với định nghĩa này, thì theo một hướng cho trước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng riêng” Trong hệ tọa độ cầu, hướng tính cực đại D0 với các thành phần tọa độ θ và φ của anten có thể được viết là:

D0 =Dθ +Dφ (2.11)

Trang 18

Trong đó hệ số định hướng riêng Dφ và Dθ được biểu diễn bởi:

φ θ

θ θ

π

)()(

+

φ θ

φ φ

π

) ( ) (

+

Ở đó, Uθ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc θ

Uφlà cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc φ

(P rad)θlà công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào θ

(P rad)φ là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào φ

1.1.2.6 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính toán hiệu suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)

(do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằng công suất đặt vào anten) Do đó, ta có:

G = 4π Cường độ bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát

Cường độ bức xạ của anten anten vô hướng =>

in P

P

U e

G(θ,φ) 4π (θ,φ)

(2.14)

Sử dụng công thức (2.10), ta có:

),()

Trang 19

0 max

G0 =Gθ +Gφ (2.17) Trong khi các hệ số tăng ích riêng Gθ và Gφ được biểu diễn bởi:

in

P

U G

P

U G

φ φ

θ θ

θ

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần truờng Eθ

φ

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường Eφ

Thường thì hệ số tăng ích được biểu diễn theo khái niệm dB thay vì không có thứ nguyên như trong công thức (2.16) Công thức tương ứng được cho bởi:

G0(dB)=10log10[e cd D0] (2.18)

1.1.2.7 Băng thông

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định” Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng), ở

đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được Ví dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới

0

min max

f

f f

Trang 20

Bởi vì các đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phân cực, … của anten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau Tùy từng ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn thế nào cho phù hợp

1.1.2.8 Phân cực

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten Chú ý: khi không đề cập tới hướng nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại”

Sự phân cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời, và hướng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng Một đường vạch theo bởi đầu mút của vector điện trường là hàm của thời gian được thể hiện trong hình 1.10(a) và (b)

(a)

(b)

Hình 1.10 Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian [3] (a) Sự quay của vector điện trường (b) Phân cực elip ở z = 0

Trang 21

Phân cực phân thành 3 loại: thẳng, tròn và ellip Nếu đầu mút vector điện trường ở một điểm trong không gian luôn hướng theo một đường thẳng, trường này được gọi là phân cực tuyến tính Tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra là một elip, và trường được gọi là phân cực ellip Phân cực tuyến tính và tròn là truờng hợp đặc biệt của phân cực elip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ (clockwise, CW) gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ (counterclockwise, CCW) gọi là phân cực trái

Trường tức thời của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm trục z, có thể được biểu diễn như sau:

Các thành phần tức thời có quan hệ với các thành phần phức của nó bởi:

(2.22) (2.23)

Ở đó, Exo và Eyo tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục x và

Phân cực ellip

Phân cực ellip có thể đạt được chỉ khi độ lệch pha theo thời gian giữa 2 thành phần là

(2.28)

(2.29) Hay:

Trang 22

(2.30)

Với phân cực ellip, đường cong được quét ở một vị trí cho trước như một hàm theo thời gian, và nói chung nó là một ellip, như được chỉ ra trong hình 1.10(b) Tỉ lệ bán trục lớn và bán trục nhỏ của ellip được gọi là hệ số trục (axial ratio, AR), và bằng với:

(2.31)

Ở đó:

(2.32) (2.33)

Độ nghiêng của ellip, có quan hệ với trục y, được thể hiện bởi góc cho bởi:

(2.34)

với Ex0 (Eyo) hay Eyo (Exo) và tỉ lệ trục (AR) bằng:

1.1.2.9 Trở kháng vào

Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng của điện trường so với từ trường ở một điểm” Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào này, không có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

ZA = RA + jXA (2.35) Trong đó, ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)

XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Nói chung, thành phần điện trở trong (2.35) bao gồm 2 thành phần là:

RA = Rr + RL (2.36) Trong đó, Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten

RL trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số Do đó, anten chỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó Thêm nữa, trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng của anten, phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng bao quanh nó Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm

Trang 23

1.2 Đường truyền vi dải và anten vi dải

1.2.1 Đường truyền vi dải

1.2.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải

Đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in “cấp cao”, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất Ta thấy mặt phẳng đất là mặt phản xạ Do đó, đường truyền vi dải có thể được xem như là đường truyền gồm 2 dây dẫn

Hình 1.11 Cấu trúc của đường truyền vi dải [9]

Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền εr Độ dày của dải dẫn điện là t và điện dẫn suất là σ là các tham số kém quan trọng hơn và đôi khi có thể

bỏ qua

1.2.1.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải

Sóng truyền trên đường truyền vi dải là sóng có dạng gần với TEM (quasi-TEM) Điều này có nghĩa rằng có một vài vùng trong đó chỉ có một thành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng Hình 1.12 thể hiện giản đồ trường điện từ của một đường truyền vi dải cơ bản

Hình 1.12 Giản đồ trường của một đường vi dải [9]

Trang 24

Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện, bởi vì mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí Các đường sức điện trường không liên tục tại mặt tiếp giáp này Điều kiện biên cho điện trường là thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục khi truyền xuyên qua biên; do đó một chất nền có hằng số điện môi là 10, thì điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần so với trong không khí Mặt khác, thành phần tiếp tuyến (song song với bề mặt dải dẫn điện) của điện trường cũng phải liên tục khi xuyên qua biên Do đó, một phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữ trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng đối với các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị hằng số điện môi không khí và hằng số điện môi của chất nền

1.2.2 Anten vi dải

1.2.2.1 Giới thiệu chung

Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953, Gutton

và Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên mãi tới tận năm 1972 người ta mới đi vào chế tạo các anten vi dải, bởi vì thời điểm này mới xuất hiện chất nền có các đặc tính tốt

Như được chỉ ra trong hình 1.13, anten vi dải với cấu hình đơn giản nhất bao gồm một patch phát xạ nằm trên một mặt của chất nền điện môi (εr<=10), mặt kia của chất nền

là mặt phẳng đất Patch là vật dẫn điện, thông thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ, nhưng các hình dạng thông thường nói chung được sử dụng nhiều

Hằng số điện môi của chất nền đóng vai trò quan trọng nhất đối với hoạt động của anten Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, băng thông và hiệu suất của anten

Hình 1.13 Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất [7]

Ưu điểm của anten vi dải

¾ Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo

¾ Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng

¾ Dễ dàng được gắn lên các đối tượng khác

¾ Có thể tạo ra các phân cực tròn, tuyến tính chỉ đơn giản bằng cách thay đổi phương pháp tiếp điện

¾ Dễ dàng chế tạo các anten có thể hoạt động với nhiều dải tần

¾ Mạng phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được in cùng với cấu trúc anten

Trang 25

Nhược điểm của anten vi dải

¾ Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%)

¾ Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian

¾ Giới hạn độ tăng ích cực đại (~ 20 dB)

¾ Hiệu suất bức xạ kém

¾ Xuất hiện các sóng mặt

¾ Công suất cho phép thấp

1.2.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản

Anten patch vi dải

Anten có patch vi dải (microstrip patch antenna, MPA) bao gồm một patch dẫn điện có hình dạng phẳng hay không phẳng trên một mặt của một chất nền điện môi, và mặt phẳng đất trên mặt còn lại của chất nền Các cấu hình cơ bản mà được sử dụng trong thực tế được chỉ ra trong hình 1.14(a)

Hình 1.14 (a) Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được sử dụng trong

thực tế [7]

Hình 1.14 (b) Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải [7]

Trang 26

Anten dipole vi dải

Hình 1.15 Một vài dipole mạch in và vi dải [7]

Trang 27

Anten sóng chạy vi dải

Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna, MTA) gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên anten

Trên hình 1.18a, điện trường bằng 0 ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy

ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten Điện trường mở rộng ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi – không khí Thành phần điện trưởng mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò (leaky-cavity)

Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn TM tượng trưng cho phân bố từ trường ngang Điều này có nghĩa rằng chỉ có 3 thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từ trường theo hướng x và y trong hệ tọa độ Đề các, trong đó trục x và y song song với mặt phẳng đất, và trục z vuông góc với mặt phẳng đất Nói chung, các mode được kí hiệu

là TMnmz Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo trục z coi

và y Sự biến đổi của trường theo hướng y hầu như không đáng kể, do đó m bằng 0 Trường biến đổi chủ yếu theo hướng x, do đó ở mode cơ bản thì n = 1

Hình 1.18b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải; trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải Từ biên độ của dòng và áp, ta có thể tìm được trở kháng (trong hình 1.18c) Trở kháng đạt

Trang 28

cực tiểu ở giữa patch và cực đại ở gần 2 cạnh Có một điểm nằm ở đâu đó dọc theo trục x, tại đó trở kháng là 50 Ω, ta có thể đặt điểm tiếp điện tại đó

(a)

(b)

(c)

Hình 1.18 Anten patch hình chữ nhật (a) Phân bố trường ở mode cơ bản

(b) Phân bố dòng trên bề mặt patch (c) Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (|Z|) theo chiều dài patch

Trang 29

ANTEN MẠCH DẢI BĂNG RỘNG VÀ ANTEN MẠCH DẢI NHIỀU BĂNG TẦN

CHƯƠNG 2

Tóm tắt

Thiết kế các anten băng rộng và anten nhiều băng tần là xu hướng phát triển mới của các anten vi dải Điều này nhằm đáp ứng nhu cầu mở rộng băng thông cho các ứng dụng đa phương tiện trên thiết bị di động Hơn nữa, các thiết bị di động ngày càng được tích hợp nhiều chức năng, và anten nhiều băng tần đáp ứng yêu cầu này Chương này trình bày các phương pháp (về nguyên lý) để thiết kế các anten mạch dải băng rộng và nhiều băng tần

2.1 Giới thiệu chung

Một trong các nhược điểm lớn của anten vi dải là băng thông rất hẹp Thông thường băng thông chỉ nhỏ hơn 1%, và nhiều nhất là chỉ vài % Tuy nhiên hiện nay, có rất nhiều ứng dụng đòi hỏi anten phải có kích thước nhỏ, băng thông rộng, đồng thời lại phải có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau Chương này sẽ giới thiệu một

số phương pháp thiết kế anten vi dải băng rộng và anten vi dải hoạt động tại nhiều dải tần Nhưng trước hết chúng ta sẽ làm rõ hơn một số khái niệm như: dải thông tần (băng thông) và dải tần công tác

2.1.1 Dải thông tần

Ngoài các đặc tính bức xạ của anten về mặt năng lượng, khi khảo sát anten còn cần lưu

ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần (hay băng thông), nghĩa là dải tần

số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu mà không bị méo dạng tín hiệu

Trang 30

Thông thường, trở kháng vào của mỗi anten là một hàm phụ thuộc vào tần số Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (như tín hiệu xung số, tín hiệu video truyền hình, …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ tín hiệu, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten thu) sẽ biến đổi, do đó làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần

số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và làm xuất hiện sóng phản xạ trong fide Khi đó ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau, và gây

ra méo dạng tín hiệu Vì vậy, tốt nhất là phải đảm bảo được trong suốt dải tần làm việc: Rv.A = const và Xv.A = 0

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi nó làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây ra méo dạng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm, và trong thực tế, độ rộng dải tần (băng thông) của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào của anten theo tần số

2.1.2 Dải tần công tác

Trong nhiều ứng dụng, chúng ta yêu cầu anten phải có khả năng làm việc ở một số tần

số khác nhau Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy, anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần, … Dải tần số

mà trong giới hạn ấy, anten làm việc thoả mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu gọi là dải tần công tác của anten Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten

¾ Anten dải tần rộng:

1

41

5.1

min max <

<

f f

¾ Anten dải tần siêu rộng:

Tỉ số của tần số cực đại và tần số cực tiểu của dải tần công tác fmax/fmin gọi là hệ số bao trùm dải sóng

2.2 Mở rộng băng thông của anten vi dải

2.2.1 Giới thiệu

Anten vi dải có nhiều đặc tính rất hữu ích, nhưng một trong các hạn chế đáng kể của các anten loại này là đặc tính băng hẹp của chúng Băng thông tính theo trở kháng (impedance bandwidth) của anten vi dải điển hình thường trong khoảng nhỏ hơn 1% tới vài % đối với các chất nền mỏng thỏa mãn tiêu chuẩn h/λ0 < 0.023 và có εr ≈10,

Trang 31

cho tới h/λ0 < 0.07 và có εr ≈2.3 Điều này hoàn toàn trái ngược với băng thông từ 15% tới 50% của các anten như là dipole, khe và loa Các nhà nghiên cứu đã đi vào nghiên cứu các anten mạch dải này để cải thiện giới hạn băng hẹp trong gần 20 năm,

và đã thành công trong việc cải thiện băng thông tính theo trở kháng tới 90% và băng thông tính theo hệ số tăng ích (gain bandwidth) tới 70% Hầu hết những sự đổi mới này đều sử dụng nhiều hơn 1 mode, điều đó làm tăng kích thước, chiều cao hoặc thể tích, và đồng thời làm giảm sút một số đặc tính khác của anten Mong muốn làm tăng băng thông cũng có thể đạt được bằng việc chọn kỹ thuật tiếp điện và mạng phối hợp trở kháng thích hợp

Chúng ta bắt đầu bằng việc định nghĩa băng thông (bandwidth) Một số đặc tính của

(sidelobe level), hệ số tăng ích (gain), phân cực (polarization), … Các đặc tính này đều biến đổi theo tần số Do đó, có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về băng thông tương ứng với các đặc tính trên

Trở kháng vào của anten vi dải biến đổi nhanh hơn theo tần số, do đó việc giới hạn dải tần giúp cho thành phần bức xạ có thể được phối hợp trở kháng với đường tiếp điện Chúng ta sẽ sử dụng băng thông tính theo trở kháng trong phần còn lại của chương để định nghĩa băng thông của anten Băng thông tính theo trở kháng của một anten vi dải cộng hưởng có thể được xác định từ đáp ứng tần số của mạch tương đương của nó Đối với mạch tương đương cộng hưởng song song, băng thông nửa công suất (BW) được cho bởi:

G

Trong đó, Y = G + jB là dẫn nạp đầu vào tại tần số cộng hưởngω Đối với mạch 0tương đương cộng hưởng nối tiếp G được thay thế bởi R và B được thay thế bởi X trong (2.1), trong đó Z = R + jX là trở kháng vào tại tần số cộng hưởng Một vài nhà nghiên cứu định nghĩa băng thông trở kháng (impedance bandwidth) theo khái niệm băng thông với VSWR = 2 Băng thông nửa công suất của (2.1) tương đương với băng

đổi băng thông từ một giá trị VSWR này sang một giá trị VSWR khác có thể được thực hiện thông qua quan hệ sau:

VSWR Q

VSWR

Trong đó Q là hệ số phẩm chất của anten Công thức (2.2) chỉ ra rằng, băng thông với VSWR 2 bằng khoảng 78% băng thông nửa công suất Các yêu cầu đối với băng thông trở kháng không nhất thiết phải phù hợp với các tiêu chuẩn băng thông tính theo các đặc trưng khác của anten Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng phân cực xiên (cross-polarization) là thành phần chính hạn chế băng thông của các anten vi dải băng rộng

Trang 32

2.2.2 Ảnh hưởng của các tham số chất nền tới băng thông

Băng thông trở kháng của anten vi dải tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q của anten (xem (2.2)) Do đó, ta có thể thay đổi các tham số của chất nền chẳng hạn như hằng số

kháng Hệ số Q của anten cộng hưởng được định nghĩa như sau:

Năng lượng được tích trữ (Energy stored)

(2.3)

Q =

Năng lượng mất mát (Power lost)

Hình 2.2 biểu diễn ảnh hưởng của độ dày chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất với 2 giá trị hằng số điện môi là 2.2 và 10 Ta thấy rằng băng thông tăng đơn điệu theo độ dày Khi hằng số điện môiεr giảm thì băng thông tăng Điều này có thể được giải thích từ việc thay đổi giá trị Q

Hình 2.2 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở

kháng (VSWR < 2) và hiệu suất bức xạ [7]

Hình 2.3 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo hằng

số điện môi chất nền Trong đó h=1.59 mm, W=0.9L, f=3 GHz [7]

Hệ số Q của anten vi dải với patch hình chữ nhật là hàm của εr và h được vẽ trong hình 2.3 và 2.4 Hình 2.3 chỉ ra rằng, hệ số Q hầu như tăng tuyến tính khi tăng εr Thành phần bức xạ (patch) hình chữ nhật được mô hình hoá như một tụ có mất mát (lossy capacitor), việc tăng hệ số Q là do năng lượng được tích trữ (energy strored) tăng và năng lượng bức xạ giảm khi tăng εr (theo công thức 2.3) Tương tự, khi độ dày chất

Trang 33

nền tăng lên, năng lượng được tích trữ giảm làm giảm hệ số Q như thấy trong hình 2.4

Về mặt vật lý, điều này xảy ra là do “trường viền” (fringing field) tăng khi tăng h và giảm εr

phương pháp này chỉ có thể áp dụng khi h < 0.02λ Có nhiều nhược điểm do sử dụng các chất nền có hằng số điện môi cao và độ dày lớn, bao gồm:

¾ Năng lượng sóng mặt tăng lên, dẫn tới kết quả là hiệu suất bức xạ kém (xem hình 2.2) Bức xạ từ các sóng mặt có thể làm méo giản đồ bức xạ gần đầu cuối

đường tiếp điện vi dải

¾ Các chất nền có độ dày lớn, khi tiếp điện tại cạnh của thành phần bức xạ sẽ làm tăng bức xạ “giả” (spurious radiation) từ đường vi dải tại những chỗ thay đổi về

độ rộng (step-in-width) và những chỗ bất liên tục trên đường vi dải Sự bức xạ

từ đầu tiếp điện (probe feed) cũng sẽ tăng

¾ Các chất nền dày hơn 0.11λ0 và có εr=2.2 có trở kháng tại điểm tiếp điện cho anten tăng, dẫn tới các vấn đề về phối hợp trở kháng

¾ Các mode bậc cao hơn chạy dọc theo chiều dày chất nền có thể tăng, điều này làm méo các giản đồ bức xạ và thay đổi trở kháng đặc tính Đây là một tham số hạn chế việc đạt được băng thông lớn hơn

Hình 2.4 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày

chất nền Trong đó ε r =2.2, W=0.9L, f=3 GHz [7]

2.2.3 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp

Người ta nhận thấy rằng: một vài hình dạng thành phần bức xạ (patch) có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng khác Do đó băng thông của chúng sẽ cao hơn Các hình dạng thành phần bức xạ này bao gồm: vành khuyên (annular ring), vành hình chữ nhật/hình vuông (rectangular/square ring), patch phần tư bước sóng (được ngắn mạch)

và một số hình dạng khác Anten có patch vành khuyên tròn với b = 2a khi hoạt động

Tương tự, anten có patch vành hình chữ nhật/hình vuông với chu vi trung bình 1 λg có thể được sử dụng

Trang 34

Băng thông của anten có patch phần tư sóng ngắn mạch hay vành khuyên được so sánh với anten có patch hình tròn hay hình chữ nhật trong bảng 2.1 Chúng ta có thể nhận thấy từ bảng này rằng: băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng khi độ rộng của patch tăng

Bảng 2.1 So sánh băng thông tại VSWR = 2

2.2.4 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp

Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác nhau như: tiếp điện bằng “đầu dò” (probe feeding), tiếp điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch với một đường truyền vi dải (proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện vi dải (aperture coupling to a microstrip feed line) Trong đó phương pháp ghép khe (aperture coupling) được sử dụng cho các anten băng rộng trên các chất nền dày Điều này là do thực tế rằng: kỹ thuật tiếp điện này cho phép một lượng lớn tham số có thể điều chỉnh như độ dài khe, độ rộng khe và hình dạng khe, … Phương pháp ghép khe khi được điều chỉnh một cách kỹ lưỡng có thể làm tăng băng thông một cách đáng kể Băng thông khoảng 70% có thể đạt được khi sử dụng kỹ thuật tiếp điện này

Anten vi dải ghép khe

Anten vi dải ghép khe được thể hiện trong hình 2.5 Nó bao gồm một patch hình chữ nhật có kích thước a x b được in trên chất nền có độ dày h và hằng số điện môi εra Patch vi dải được tiếp điện bởi đường vi dải thông qua một khe hở hoặc một rãnh rạch trên mặt phẳng đất chung của patch và đường tiếp điện vi dải như trong hình 2.5

Khe có các kích thước là La x Wa và tâm khe tại điểm (x0, y0) Độ rộng của đường vi dải là W và được in trên một chất nền có độ dày t và hằng số điện môi εrf Trở kháng đặc trưng của đường vi dải được kí hiệu là Z0m và trở kháng đặc trưng của khe được kí hiệu bởi Z0s Việc ghép khe với giữa patch và đường vi dải xảy ra bởi vì khe “phá vỡ

sự liên tục” của dòng điện chạy theo dọc theo patch Phân tích anten vi dải ghép khe cho thấy: hầu hết các đặc tính đều tương tự với anten khe tiếp điện bằng đường vi dải

Kỹ thuật tiếp điện ghép khe được giới thiệu bởi Pozar và nó có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật tiếp điện khác Các ưu điểm đó là: bảo vệ được anten khỏi sự bức xạ “giả”

từ phần tiếp điện (spurious feed radiation), sử dụng chất nền cho cả cấu trúc tiếp điện

và anten, sử dụng chất nền dày để tăng băng thông của anten

Trang 35

Hình 2.5 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [7]

2.2.5 Kỹ thuật kích thích đa mode

Sử dụng nhiều mode cộng hưởng là phương pháp rất hiệu quả trong thiết kế các anen

vi dải băng rộng Ý tưởng cơ bản của phương pháp này xuất phát từ các bộ cộng hưởng (resonator) được ghép, trong đó thì 2 bộ cộng hưởng hoặc nhiều hơn được ghép với nhau để bao phủ toàn dải tần mong muốn Phương pháp này được áp dụng cho nhiều hình dạng patch khác nhau Có nhiều phương pháp để thiết kế theo khái niệm này với mục tiêu tăng băng thông trở kháng (impedance bandwidth) Ta khảo sát một phương pháp, trong đó dùng 2 thành phần cộng hưởng hoặc nhiều hơn (tần số cộng hưởng của mỗi thành phần khác nhau đôi chút), mỗi thành phần cộng hưởng này được ghép “sát” với thành phần cộng hưởng khác Việc ghép “sát” được điều khiển để tăng băng thông Các phương pháp thông thường nhất để mở rộng băng thông sử dụng phương pháp ghép kí sinh (parasitic coupling) được mô tả ngay sau đây

2.2.5.1 Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng

Anten vi dải với 2 patch được xếp chồng điển hình được thể hiện trong hình 2.6 Ảnh hưởng của việc xếp chồng các patch được nghiên cứu đầu tiên vào năm 1978 ngay khi các nghiên cứu về anten vi dải bắt đầu Patch bên dưới có thể được tiếp điện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải Patch bên trên được ghép “sát” với patch bên dưới Kích thước của patch phía trên hơi khác kích thước của patch bên dưới

để thu được tần số cộng hưởng hơi khác một chút

Ta có thể thay đổi một số tham số, ví dụ: độ dày d1 và d2 của các chất nền; hằng số điện môi εr1 và εr2; độ lệch giữa tâm của các patch; kích thước của các patch và vị trí tiếp điện Đối với các anten có 2 dải tần, kích thước của 2 patch được quyết định bởi 2 tần số cộng hưởng mong muốn Đối với anten băng rộng, các tham số khác được tối

ưu hóa để đạt được băng thông lớn nhất có thể Một sự dịch chuyển nhỏ các patch theo các hướng x và y cũng có ảnh hưởng đáng kể đến băng thông trở kháng và giản đồ bức

xạ

Trang 36

Hình 2.6 Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [7]

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc xếp lệch các patch có tác dụng mở rộng băng thông, tính không đối xứng của cấu trúc làm tăng bức xạ xiên (beam squint) trong mặt phẳng E Băng thông trở kháng từ 10% tới 29% đạt được với các patch xếp chồng tiếp điện bằng đầu nối (probe-fed), và băng thông trở kháng từ 18% tới 67% đạt được với các patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe Băng thông lớn hơn có thể đạt được khi

sử dụng chất nền dày hơn

Anten với patch xếp chồng có một số đặc điểm hấp dẫn như sau:

¾ Việc xếp chồng các patch không làm tăng diện tích bề mặt của anten, so với phương pháp sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng, các patch xếp chồng được sử dụng trong anten mảng mà không cần tăng khoảng cách giữa các patch

và giải quyết được vấn đề búp sóng phụ

¾ Giản đồ bức xạ và tâm pha của anten patch xếp chồng duy trì tính đối xứng trên toàn dải tần hoạt động của nó

2.2.5.2 Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng

Một phương pháp khác cũng cho đặc tính băng rộng là ghép gần các patch đồng phẳng

có tần số cộng hưởng khác nhau chút ít Một vài hình dạng được thể hiện trong hình 2.7 và 2.8 Chỉ có patch ở giữa (patch điều khiển) được tiếp điện và các patch khác hoặc là được ghép khe hoặc là được ghép trực tiếp với patch điều khiển

Trong hình 2.7(a): 2 dipole ghép với một patch bức xạ được đưa ra vào năm 1979 Khi

2 patch được ghép khe với patch điều khiển dọc theo các cạnh bức xạ của patch điều khiển (xem hình 2.7(b)), băng thông lớn nhất có thể tăng tới 5.1 lần so với băng thông của anten chỉ có 1 patch hình chữ nhật Kiểu ghép kí sinh dọc theo các cạnh không bức

xạ (hình 2.7(c)) cho băng thông lớn hơn gấp 4 lần Một cấu hình tương tự bao gồm các patch ¼ bước sóng được ngắn mạch (xuống mặt phẳng đất) ghép với một patch ½ bước sóng dọc theo các cạnh bức xạ (hình 2.7(d)) cho băng thông lớn gấp 5.35 lần Một ví dụ khác, 2 patch ngắn mạch dài λ/4 được ghép với nhau dọc theo cạnh bức xạ (xem hình 2.7(e)) Cấu hình 4 patch được ghép khe tại 4 cạnh của một patch điều khiển thể hiện trong hình 2.7(f) Nó cho băng thông tới 6.7 lần băng thông của anten chỉ có một patch đơn

Trang 37

Hình 2.7 Một vài anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng [7] (a) Một patch điều khiển được ghép khe với 2 dipole dọc theo các cạnh bức xạ (b) Một patch điều khiển được ghép khe với 2 patch dọc theo các cạnh bức xạ

(c) Một patch điều khiển được ghép khe với 2 patch dọc theo các cạnh không bức xạ (d) 1 patch điều khiển ghép khe với 2 patch ¼ bước sóng dọc theo các cạnh bức xạ (e) Một patch ¼ bước sóng (điều khiển) được ghép khe với một patch ¼ bước sóng (f) Một patch điều khiển được ghép khe với 4 patch dọc theo 4 cạnh của nó

(g) Anten mảng vi dải với một patch điều khiển và các patch kí sinh ghép khe

(h) Mảng 7 dipole ghép khe

(i) Anten nhiều patch ghép khe cộng hưởng tại nhiều tần số

Trang 38

Khái niệm về các thành phần ghép khe được mở rộng cho các mảng anten ghép khe Trong các mảng này, một patch điều khiển được ghép khe “sát” (về không gian) với các patch xung quanh, một số khe được ghép xa hơn, tạo ra một mảng phẳng (xem hình 2.7(g)) Khe ghép giữa các patch liền sát nhau thường rất nhỏ, bằng khoảng 0.1 tới 2 lần độ dày chất nền Anten mảng phẳng có kích thước 1.56 mm x 30 mm x 30

mm tại tần số 8.55 GHz cho băng thông 16%, độ tăng ích 9 dB và các thùy bên chỉ 26dB

-Một anten mảng gồm 7 dipole được ghép dọc theo các cạnh không bức xạ, nhưng với

độ rộng và khoảng cách khe giữa các dipole được tối ưu hóa để đạt được băng thông lớn hơn 8 lần (xem hình 2.7(h))

Một cấu hình khác đó là một số dipole có chiều dài khác nhau được kích thích bởi một khe đặt ở giữa tạo ra cấu hình xếp so le (xem hình 2.7(i) và (j)) Một sự thay đổi nho nhỏ ở cấu hình này là tất cả các dipole hoạt động ở cùng một tần số và được ghép khe với đường tiếp điện vi dải Băng thông của cấu hình với 3 dipole đối xứng là khoảng 23% đối với anten có điện môi dày 0.083λ0 Băng thông này bằng khoảng 1.5 lần băng thông của anten patch hình vuông tương ứng Cuối cùng, khái niệm patch cộng hưởng được xếp so le có thể được mở rộng cho mảng loga chu kỳ được thể hiện trong hình 2.8(a)

Anten với patch cộng hưởng được ghép trực tiếp cũng đã được nghiên cứu Các anten này được thể hiện trong hình 2.8(b – d) Trong các trường hợp này, các patch phía ngoài là các patch kí sinh vào patch được tiếp điện, nhưng các patch kí sinh được ghép trực tiếp tới patch được tiếp điện Băng thông cho các anten 2.8(b), (c), (d) tương tự như các anten ghép khe ở hình 2.7(b), (c) và (f)

Anten ghép kí sinh đồng phẳng với patch hình tròn cũng đã được nghiên cứu Nó bao gồm một đĩa vi dải được ghép khe với một vành khuyên ngắn mạch trên cùng bề mặt Anten này được thể hiện trong hình 2.8(e) Anten này cũng có thể được xem như một hốc hình trụ (cylindrical cavity) ghép với một khe vành khuyên (annular slot) Các tần

số cộng hưởng của đĩa vi dải và cavity gần bằng nhau Anten này tạo ra một giản đồ bức xạ đối xứng tròn với độ rộng chùm 10dB là khoảng 1600, và nó thích hợp để chiếu

xạ (illuminate) cho một bộ phản xạ với F/D = 3 Phân cực ngang cực đại (maximum cross-polarization) với độ rộng chùm 10dB được đo là -21dB trên toàn dải 5GHz tới 5.44GHz Ta có thể đạt được băng thông trở kháng 10% bằng cách điều chỉnh kích thước khe ghép

Tất cả các anten vi dải với các bộ cộng hưởng kí sinh đồng phẳng có một nhược điểm

là diện tích bề mặt tăng lên Hơn nữa, giản đồ bức xạ và tâm pha biến đổi rõ rệt theo tần số, đặc biệt đối với các thiết kế băng thông rộng hơn

Trang 39

Hình 2.8 Anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng [7] (a) Cấu hình của một mảng vi dải loga chu kỳ ghép khe băng rộng

(b) Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 2 patch dọc theo các cạnh bức xạ

(c) Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 2 patch dọc theo các cạnh không bức xạ (d) Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 4 patch dọc theo 4 cạnh của nó

Trang 40

2.2.5.3 Các kỹ thuật kích thích đa mode khác

Các phương pháp trong phần này đều sử dụng 2 mode độc lập được kích thích vào cùng một patch hoặc vào patch và mạng tiếp điện Một patch gần vuông được sử dụng

để thu được băng thông gần 3 lần bằng cách kích thích 2 mode với phân cực trực giao Trong trường hợp này, để kích thích cả hai mode, đường tiếp điện được đặt dọc theo đường chéo (xem hình 2.9(a)) Đồ thị trở kháng vào cho anten này được vẽ trong hình 2.9(b) với L = 13.6 cm, W/L = 0.99, ρ0/L = 0.16 và h/λ0 = 0.0037

Hình 2.9 Anten vi dải băng rộng sử dụng 2 mode phân cực trực giao [7]

(a) Patch gần vuông (b) Đồ thị trở kháng vào

Patch hình chữ nhật với một khe U được cắt trên nó (xem hình 2.10) cũng là anten băng rộng Patch và khe U được thiết kế để cho tần số cộng hưởng gần nhau Tần số cộng hưởng và hệ số Q tại điểm cộng hưởng có thể được điều khiển độc lập bằng cách điều chỉnh chiều dài và rộng của chúng (patch và khe U)

Hình 2.10 Patch được rạch khe U tạo ra 2 tần số cộng hưởng và tăng băng thông [7]

Patch hình chữ nhật với một khe H được cắt trên nó ở hình 2.11

2.2.6 Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác

Trong các phần trước, chúng ta đã thay đổi các tham số của chất nền để làm tăng băng thông trở kháng Các patch cộng hưởng được đặt so le trong cấu hình patch xếp chồng

và cấu hình ghép khe đã được mô tả trong phần trước Việc sử dụng nhiều hơn một mode kích thích vào cùng một patch cũng được mô tả Trong phần này, chúng ta thảo luận thêm một vài phương pháp để tăng băng thông trở kháng

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	3,73 MB