thiết kế anten mạch dải phân cực tròn

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyếnngười ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với độ lợi và tính địnhhướng cao thường

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ

đồ án hay công trình đã có từ trước Em hoàn thành đồ án dựa trên kiến thức đã học được

và các tài liệu tham khảo

Tác giả đồ án: Võ Hữu Ngọc Huy

Lớp : 08DT2

Trường: Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2013

Chữ kí

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1: LÝ THUYẾT ANTEN

1.1

Giới thiệu chương.……….6

1.2 Khái niệm về anten ……… 6

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ……….7

1.4 Các thông số cơ bản của anten ……….7

1.4.1 Trở kháng vào của anten ………8

1.4.2 Hiệu suất của anten ………8

1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích ………9

1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten ……… 10

1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ………12

1.4.6 Tính phân cực của anten ……… 12

1.4.7 Dải tần của anten……… 13

1.5 Các hệ thống anten ……….13

1.6 Kết luận chương ……… 14

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 Anten vi dải15 2.2.1 Giới thiệu16 2.2.2 Hoạt động của Anten vi dải19 2.2.3 Uu nhược điểm và ứng dụng của anten vi dải20 2.3 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải 21 2.4 Dải thông của anten vi dải 22 2.5 Phân cực của anten vi dải 22 2.6 Các phương pháp phân tích anten vi dải 24 2.7 Kết luận chương 26 Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN 3.1 Giới thiệu chương 27 3.2 Giới thiệu một vài anten vi dải phân cực tròn 27 3.3 Ví dụ thiết kế 28 3.4 Bài toán thiết kế anten vi dải phân cực tròn 30 3.5 Kết luận chương CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chương 34 4.1 Giới thiệu phần mềm HFSS 34 4.2

Mô phỏng bài toán 36

4.2.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 36

4.2.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 42

4.3

Kết quả mô phỏng 46

4.3.1 Trường hợp đường truyền vi dải 46

4.3.2 Trường hợp cáp đồng trục 49

4.4 Kết luận chương 51

KẾT LUẬN CHUNG

PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thôngkhông dây Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướngthành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại Anten và đường dâydẫn (feeder) đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạch điện tử và không gian tự do,feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử Ngõ vào của feeder phải phối hợptrở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phát qua feeder và bức

xạ ra không gian Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng

về độ lợi và phương hướng bức xạ

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyếnngười ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với độ lợi và tính địnhhướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như anten Yagi,anten dây, và đặcbiệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động và xu hướngcủa thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộngrãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng Đặc điểm nổi bật củaanten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, và đặc biệt là dễ

dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Những đặc tính trên đã giúp antnen vi dải đượcquan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện tại nó được sử dụng rất rộng rãinhư trong công nghệ di động, mạng WLAN, anten thông minh và hệ thống tích hợp siêucao tần .

Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và ưu điểm của loại anten này nên em

chọn đề tài đồ án: “Thiết kế anten mạch dải phân cực tròn” Mục đích nghiên cứu

của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính toán mô phỏng một vài loại anten vi dải phân cực tròn, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng,tham số của anten và

so sánh chất lượng của từng loại đó

Sau đây em xin trình bày những nội dung của đề tài: gồm 4 chương

Chương 1: Lý thuyết Anten

Trong chương này sẽ giới thiệu một cách sơ lược về lý thuyết chung về anten, anten vi dải

Chương 2: Giới thiệu Anten vi dải

Tìm hiểu anten vi dải và tìm hiểu một vài tham số cơ bản về kỹ thuật của anten

vi dải

Chương 3: Thiết kế anten vi dải phân cực tròn

Giới thiệu một anten vi dải phân cực tròn.Tính toán, thiết kế loạianten vi dải em chọn

Chương 4: Mô phỏng anten bằng phần mền HFSS

Giới thiệu phần mềm mô phỏng.Kết quả mô phỏng

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cũng như bè bạn trong khoa, đặc biệt phải

kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của cô Trần Thị Hương

Em xin được gửi lời chân thành cảm ơn tới cô Trần Thị Hương cùng các thầy cô và bạn

bè trong khoa Điện tử Viễn thông đã có những giúp đỡ cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra

Chương 1: LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ giới thiệu về vị trí của anten, giới thiệu một cách ngắn gọn về các tham số của anten là các thông số kỹ thuật của nó giúp ta có cái nhìn chung về anten

để tiến hành thiết kế về sau

1.2Khái niệm về anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bênngoài

Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v cũng đòihỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn thamgia vào quá trình gia công tín hiệu

Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệthống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tửanten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối nănglượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệthống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu)

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Anten hoạt động dựa trên hiện tượng bức xạ sóng điện từ và ta có thể hiểu như sau

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từtrường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ratrong những điều kiện nhất định

Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ sovới bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụđiện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh

từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộcvới các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không giancủa tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộncảm

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo rađiện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điệntrường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá xa so vớinguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ khôngcòn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gianhay là hình thành một điện trường xoáy Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điệntrường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điệntrường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự dođược gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràngbuộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.

1.4 Các thông số cơ bản của anten

Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây :

- Dải tần của anten

1.4.1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện

áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten

A A A

và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten

Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten

PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

Ae

A A

I

P

R =

(1.6)Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bốdòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụthể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyềnnăng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ramáy phát và đầu vào của anten.

1.4.2 Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan

trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten ηA

chính là tỷ số giữa công suấtbức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA

A

bx A

có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó ηA

< 1 Gọi công suất tổn hao là Pth

A bx th

P P

P = +

(1.8)Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:

bx

bx A

R R

R P

P

P

+

=+

anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc antenchuẩn)

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất ηA

= 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theomọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn

tử đối xứng nửa bước sóng

Hệ số định hướng của anten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển

từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giátrị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó

)0(

),()

0(

),(),

2 1 1 1

1

E

E P

P D

), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 1 1

,ϕ

θ

) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten

vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E( 1 1

) , ( )

, (θ ϕ η Dθ ϕ

(1.12)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức

xạ và hiệu suất của anten Từ (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số địnhhướng Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx theocông thức sau:

bx A A

G P

P =

(1.13)

1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten

Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặcthu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức

xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính củaanten Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trêncòn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten

Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tươngđối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách bằngnhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương củađiểm xem xét

Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực

Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậyđược gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướngcủa các anten khác nhau Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten có dang hìnhkhối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ϕ) và mặtphẳng đứng góc (θ).

Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sựbiến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau Để đánh giá dạng của đồ thị phươnghướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là gócbức xạ Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất

1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suấtbức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳnghướng tương đương Ký hiệu là EIRP

T

T G P EIRP=

(W)Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ số tăng íchcủa hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phátcung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten Công suất bức xạ đẳng hướng là công

suất đuợc bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT = 1 Nếu nhưanten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn.

1.4.6 Tính phân cực của anten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector

H

E, cóbiên độ và pha biến đổi Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xéttheo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểmcực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phươngtruyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thìphân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng Trong trường hợptổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợpriêng

Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan hoặc thusóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳngđứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc đểphát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổnhao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng

1.4.7 Dải tần của anten

Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của antennhận các giá trị trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mức nửa côngsuất Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch chuẩn đó làmgiảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của anten thường gọi làtần số công tác

Thường dải tần được phân làm 4 nhóm

- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

%100

<

∆

f f

tức là

1.1min

max <

f f

- Anten dải tần tương đối rộng

%50

%10

tức là

5.11

.1

min max <

<

f f

- Anten dải tần rộng

45

.1

min max <

<

f f

- Anten dải tần rất rộng

4min

max >

f f

Trong đó: Δf = fmax – fmin

1.5 Các hệ thống anten

 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh

 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa

 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng

vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)

 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học

1.6 Kết luận chương

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài Với các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như: trở vào, hiệu suất, dải tần công tác, đặc trưng hướng, đặc trưng phân cực, hệ số định hướng,…để ta

có thể tính toán, thiết kế một anten trong lí thuyết cũng như trong thực tế

Qua chương này đã tìm hiểu lý thuyết anten, các thông số cơ bản của anten, và một

số hệ thống anten Trong chương tiếp theo sẽ tìm hiểu cụ thể về một loại anten, anten vi dải

Chương 2: ANTEN VI DẢI 2.1 Giới thiệu chương

Chương 2 sẽ trình bày sơ lược về cấu tạo của anten vi dải, sự hoạt động cũng như

ưu nhược điểm của nó Và tìm hiểu một vài công thức để phục vụ cho thiết kế ở chương sau

2.2 Anten vi dải

Anten vi dải được quan tâm đáng kể nhất bắt đầu vào năm 1970, mặc dù ý tưởng của anten mạch dải được phác hoạ từ năm 1953 và nhận bằng phát minh vào năm 1955 Ưu điểm lớn nhất của anten vi dải là trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và dễ chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ mạch in

Trong những năm gần đây anten vi dải đã được nghiên cứu khá nhiều, cả về lý thuyết và kĩ thuật và đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về mặt công nghệ và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn Nó là loại anten có nhiều tiện lợi và hiệu quả Anten vi dải có

nhiều hình dạng như hình tròn,hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật Anten vi dải

được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác Chúng cũng được thiết

kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular

tự như một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là là anten mạch in [1]

Hình 2.1 Cấu trúc anten mạch dải Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độdày chất nền h, hằng số điện môi ε

Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau Có 4 dạng cơbản anten mạch dải :

• Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn điện

ở trên một phía của tấm điện môi Tấm dẫn điện có thể là hình vuông, hìnhchữ nhật, hình tròn, hình elip, hay hình tam giác, hình vòng nhẫn

Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm

• Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điệngiống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole mạch dải gồm cócác tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi.

Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải

• Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở trên mặtphẳng đất Khe hẹp này có thể bất cứ hình dạng gì tuy nhiên thông thường làdạng hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên

Hình 2.4 Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải

• Anten mạch dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna), gồm cácđoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt củatấm điện môi.

Hình 2.5 Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy

2.2.2 Hoạt động của anten vi dải:

Khi tấm patch được kích thích bởi đường cấp, điện tích được phân bố ở mặt dưới tấm patch và mặt phẳng đất Lập tức, lực hút bên dưới tấm patch và mặt phẳng đất sẽ tích lũy một lượng lớn điện tích Và cũng đẩy các điện tích ra mép tạo nên mật độ lớn điện tích ở mép Đây là nguồn gốc tạo nên điện trường rìa Sự bức xạ từ vi dải có thể xuất hiện từ trường rìa giữa chu vi của pacth và mặt phẳng đất

Giả sử không có sự biến thiên của điện trường dọc theo chiều rộng và độ dày của cấu trúcmạch dải, điện trường được kích thích bởi tấm patch được chỉ ra như hình dưới:

Hình 2.6 Cơ cấu phát xạ của vi dải

Hình 2.7 Phân bố điện trường của anten vi dải

Sự bức xạ gần như tạo bởi trường ở rìa Trường ở rìa có thể phân tích thành các thành phần vuông góc và tiếp tuyến với mặt phẳng đất Các thành phần vuông góc lệch pha nhau 1800 do chiều dài patch là λ/2 Do đó trường bức xạ ở vùng xa giảm do chúng triệt tiêu nhau ở một bên Các thành phần vuông góc (song song với mặt phẳng đất) cùng pha Trường bức xạ tổng hợp vuông góc với patch Do đó patch có thể được thay thế bởi 2 khebức xạ cách nhau λ/2, được kích thích đồng pha và bức xạ trong một nửa không gian phíatrên mặt phẳng đất

2.2.3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của anten vi dải

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác Do đó,

anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz

MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm,

tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

 Ưu điểm:

• Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng

• Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt.

• Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản

• Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten

• Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền.

• Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng

• Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân

 Khuyết điểm:

• MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai.

• Một số MSA có độ lợi thấp.

• Khả năng tích trữ công suất thấp

• Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất.

• Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn

nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng.

Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng

 Một số ứng dụng của MSAs:

• Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường

được dùng

• Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ.

• Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

• Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.

• GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.

2.3 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải (feed method)

Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải: dùng cáp đồng trục, đường mạch dải và ghép khe Ở đồ án này chỉ thiết kế anten với hai hình thức tiếp điện là dùng cáp đồng trục và đường mạch dải

• Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện

Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm

dẫn điện Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng không

Hình 2.8 Tiếp điện bằng cáp đồng trục

• Tiếp điện bằng đường mạch dải Phương pháp này dễ thực hiện hơn cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải có độ dài λg/4 để phối hợp trởkháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50 Ω tới trở kháng vào của anten

Hình 2.9 Tiếp điện bằng đường mạch dải

• Tiếp điện bằng ghép khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng Ta ghép giữa đường mạch dải 50 Ω với trở kháng vào của anten bằng khoảng cách s Khoảng cách này sẽ như là thành phần điện dung C

Hình 2.10 Tiếp điện bằng ghép khe

2.4 Băng thông của anten vi dải

Độ rộng băng thông của anten vi dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra

Độ rộng băng tần của anten vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp Ví dụ, độ rộng băng với tỷ

lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thực kinh nghiệm sau [1]:

4 2 t

f

f

(2.4)

Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi

Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.1λ0 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten

2.5 Tính phân cực của anten vi dải

Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp

Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten vi dải là trường phân cực thẳng Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng

Hình 2.11 Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải

Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào nó cũng

có thể thu được một thành phần của tín hiệu Điều đó là do sóng tới có góc quay biến đổi

Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ WLAN ở môi trường truyền sóng phức tạp.

2.6 Các phương pháp phân tích anten vi dải

Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương pháp đường truyền và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản (ví dụ hình chữ nhật, hình tròn), còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trườnghợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp Trong mục này sẽ chỉ đề cập đến phương phápđường truyền dẫn

Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi phần tử anten vi dải chữ nhật có thể được

mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm vi dải), và đặt song song cách nhau một khoảng L (bằng chiều dài của tấm vi dải) như vẽ ở hình 3.3 b Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ

Khi chọn L = d

λ/ 2, với d

λ

là bước sóng trong lớp đế điện môi thì hai khe này được kích thích ngược pha nhau, nhưng vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian như mô tả ở hình 3.3 b Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải nửa sóng

Hình 2.15 Mô hình anten vi dải

Ví dụ: Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs)

Trong phần này sẽ đề cập đến anten vi dải hình chữ nhật, với loại nửa sóng

Loại anten vi dải được sử dụng phổ biến nhất là loại gồm một phiến kim loại hình chữ nhật gắn trên bản mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải Chiều dài L xấp xỉ bằng nửa bước sóng.

λ : bước sóng trong không gian tự do

d

λ: bước sóng truyền trong lớp điện môiNhư trên đã phân tích, trường bức xạ của anten có thể được xác định dựa trên nguồnbức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra bởi cạnh của phần tử vi dải và mặt

phẳng đế trực tiếp ở phía dưới Do t << λd

/4, mỗi khe đơn sẽ bức xạ đẳng hướng vào nửa không gian phía trên mặt phẳng đế

Hình 2.16 Bức xạ anten vi dải

Hình 2.16a vẽ anten vi dải, các khe bức xạ của nó và hệ tọa độ khảo sát Hình b là cấu trúc điện từ trường ở gần phiến kim loại, trong đó đường liền là trường E, đường đứt nét là trường H

2.7 Kết luận chương

Trong chương này đã tìm hiểu được về cấu tạo, ưu nhược điểm,ứng dụng, cácphương pháp cấp nguồn cho anten mạch dải…Trong chương tiếp theo sẽ đi thiết kế mộtanten mạch dải