microstrip – log periodic antenna cho hệ thống uwb

Song song đó thì anten một thiết bị thiết yếu của hệ thống vô tuyến cũng được phát triển không ngừng để phù hợp với các công nghệ mới ra đời.. Do phụ thuộc vào độ rộng và hình dạng của x

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN VIỄN THÔNG



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MICROSTRIP - LOG PERIODIC

ANTENNA CHO HỆ THỐNG UWB

GVHD : ThS NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN

SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH MSSV : 40600060

LỚP : DD06DV1

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 1/2011

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

……o0o……

Ngày …… tháng …… năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn) 1 Họ và tên SV: NGUYỄN HOÀI ANH Ngành : Viễn Thông MSSV: 40600060 2 Đề tài: “Microstrip – log periodic antenna cho hệ thống UWB” 3 Họ tên người hướng dẫn : ThS NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN 4 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang Số bảng số liệu ……………… Số chương Số hình vẽ ………………

Số tài liệu tham khảo ………

5 Tổng quát về các bản vẽ: Phần mềm tính toán ………

- Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác - Số bản vẽ tay 6 Những ưu điểm chính của LVTN: số bản vẽ trên máy tính

7 Những thiếu sót chính của LVTN:

8 Đề nghị: Được bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 9 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: Bổ sung thêm để bảo vệ □ a)

b)

c)

10 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Điểm

Ký tên (ghi rõ họ tên)

Trang 4

4 Tổng quát về bản thuyết minh:

Số trang

Số bảng số liệu

………

Số chương Số hình vẽ ………

………

Số tài liệu tham khảo ………

5 Tổng quát về các bản vẽ: Phần mềm tính toán ………

- Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác - Số bản vẽ tay 6 Những ưu điểm chính của LVTN: số bản vẽ trên máy tính

7 Những thiếu sót chính của LVTN:

8 Đề nghị: Được bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 9 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: Bổ sung thêm để bảo vệ □ a)

b)

c)

10 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Điểm

Ký tên (ghi rõ họ tên)

Trang 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa: Điện – Điện tử

Bộ môn Viễn Thông

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

……o0o……

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho người hướng dẫn) Họ và tên SV : NGUYỄN HOÀI ANH NGÀNH : VIỄN THÔNG MSSV: 40600060 LỚP: DD06DV1 1 Đầu đề luận văn: “Microstrip – log periodic antenna cho hệ thống UWB” 2 Nhiệm vụ: (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 5 Họ và tên người hướng dẫn: 1

2

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn Ngày …… tháng …… năm 2011 Phần hướng dẫn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): -

Đơn vị: -

Ngày bảo vệ: -

Điểm tổng kết: -

Nơi lưu trữ luận văn: -

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 6

em từ đồ án, thực tập đến luận văn này

Em xin gửi lời cám ơn, lòng kính trọng đến các thầy cô trong khoa Điện tử và bộ môn Viễn Thông đã tận tâm dạy bảo truyền đạt những kiến thức quý báu tạo cho em nền tảng kiến thức vững chắc để có thể thực hiện đề tài Đặc biệt là cảm ơn thầy Hoàng Mạnh Hà đã chỉ bảo cũng như tạo mọi điều kiện cho em khi đo đạc trong phòng thí nghiệm.

Điện-Con xin gửi lời biết ơn vô hạn đến cha mẹ và gia đình Cha mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ, luôn động viên hỗ trợ giúp con vượt qua những lúc khó khăn nhất.

Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè và những người thân đã chia sẻ giúp đỡ trong suốt những năm học đã qua.

Cuối cùng tôi tự cảm ơn mình, những phấn đấu nỗ lực của bản thân, sự cố gắng học hỏi tiếp thu kiến thức làm hành trang bước vào đời.

TP Hồ Chí Minh, Tháng 1/2011

Sinh Viên NGUYỄN HOÀI ANH

Trang 7

SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến toàn cầu có những bước phát triển thần kỳ Với tốc độ đó, đòi hỏi phải mở rộng dải tần số hoạt động với xu hướng nghiên cứu các ứng dụng những dải tần cao Công nghệ UWB ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp thiết này Song song đó thì anten (một thiết bị thiết yếu của hệ thống vô tuyến) cũng được phát triển không ngừng để phù hợp với các công nghệ mới ra đời.

Luận văn tập trung tìm hiểu hệ thống UWB cũng như các ứng dụng của chúng Bên cạnh đó, phần quan trọng là xây dựng mô hình lý thuyết anten để làm

cơ sở cho việc thiết kế, mô phỏng và thi công một anten băng rộng ứng dụng trong công nghệ này.

Anten được chọn thiết kế là anten loga - chu kỳ thực hiện trên nền vi dải (MS-LPDA Antenna) Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm IE3D của Zeland Anten được thi công trên PCB FR- 4 Các kết quả đo đạc thực nghiệm tiến hành trên máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 và các điều kiện sẵn có.

Trang 1

Trang 8

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Đặc điểm của UWB: 5

1.3 Các tiêu chuẩn của UWB 12

1.3.1 Tiêu chuẩn UWB của USA (FCC) 12

1.3.2 Tiêu chuẩn UWB của Châu Âu 13

1.4 Ứng dụng của kỹ thuật UWB 14

1.5 Anten ứng dụng trong UWB radar: 16

1.5.1 Yêu cầu cần có đối với Anten dùng cho UWB radar 16

1.5.2 Một số loại Anten ứng dụng cho UWB Radar 16

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN 19

2.1 Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến 19

2.2 Các đặc tính của anten 21

2.3 Phần tử cơ bản của anten 25

2.4 Nguồn bức xạ nguyên tố của anten 25

2.4.1 Lưỡng cực điện 25

2.4.2 Lưỡng cực từ .27

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA) 29

3.1 Giới thiệu 29

3.2 Các đặc tính của Anten vi dải 30

3.3 Các phương pháp phân tích anten vi dải 31

3.4 Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs) 32

3.4.1 Anten vi dải nửa sóng 32

Trang 9

3.4.2 Anten phần tư sóng 35

3.5 Trở kháng vào anten vi dải 36

3.6 Băng thông của anten vi dải 39

3.7 Phân cực của anten vi dải 40

CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ANTEN BĂNG RỘNG ANTEN LOGA – CHU KỲ 41 4.1 Dải thông tần và dải tần công tác của anten 41

4.1.1 Dải thông tần 41

4.1.2 Dải tần công tác 41

4.2 Phương pháp mở rộng dải tần số của anten chấn tử 42

4.3 Phương pháp thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tương tự 43

4.4 Anten lôga - chu kỳ ( log – periodic antenna) 43

4.5 Đặc điểm kết cấu anten loga chu kỳ và phương pháp tính toán 46

CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MS-LPDA ANTENNA CHO HỆ THỐNG UWB 52

5.1 Các thông số anten loga chu kỳ 52

5.2 Trình tự thiết kế anten MS-LPDA 53

5.3 Kích thước anten được thiết kế 55

CHƯƠNG 6 : THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 64

6.1 Các số liệu ban đầu 64

6.2 Các kết quả đo đạc 67

CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

7.1 Kết quả đạt được 70

7.2 Hướng phát triển đề tài 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Trang 3

Trang 10

DSP Digital Signal Processing

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power

FCC Federal Communication Commission

FNBW First Null BeamWidth

GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile Communications

HFBW Half-Power BeamWidth

IEEE The Institute of Electrical and Electronic Engineers

ISI Inter-Symbol Interference

ITU International Telecommunications Union

MS-LPDA Microstrip – Log Periodic Dipole Array

PAM Pulse Amplitude Modulation

PCS Personal Communications Service

PPM Pulse Position Modulation

RMSA Rectangular Microstrip Antenna

SNR Signal – to – Noise Ratio

SWR Standing Wave Ratio

Trang 11

PHẦN I : XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.2 Đặc điểm của UWB:

Những hệ thống thông tin dựa trên nguyên tắc phát xung (Impulse radio) cũng như các hệ thống radar xung (impulse radar) đều sử dụng những xung rất hẹp (vài trăm ps) Do đó sẽ tạo ra tín hiệu có phổ vô cùng rộng (ultra – wideband spectrum) Và kỹ thuật điều chế sử dụng cho các

hệ thống này là: Điều chế vị trí xung (Pulse Posititon Modulation – PPM) Các tín hiệu UWB là các tín hiệu ở bộ xung tương đối khó Tuy nhiên nhờ mật độ công suất nhỏ mà các tín hiệu UWB

sẽ chống được hiện tượng giao thoa (interference) Đây là trở ngại lớn trong các hệ thống thông tin băng hẹp UWB có đặc điểm khác có hệ thống thông tin khác là: băng thông rất rộng và được truyền dưới dạng không sóng mang (carrierless)

Băng thông của hệ thống UWB lớn hơn rất nhiều băng thông của các hệ thống hiện tại sử dụng trong thông tin liên lạc UWB là tín hiệu có băng thông tỷ lệ chiếm 20% của tần số trung tâm hoặc băng thông tối thiểu 500MHz bất kể băng thông tỷ lệ

Trang 5

Trang 12

Hình 1.2.1 Phổ của hệ thống UWB và một số hệ thống khác

Các tín hiệu UWB là tín hiệu giống nhiễu (Noiselike) Do đó, việc nhận và tách tín hiệu ở

bộ thu tương đối khó Tuy nhiên nhờ mật độ công suất nhỏ mà tín hiệu UWB sẽ chống được hiện tượng giao thoa, đây là khó khăn lớn nhất trong hệ thống thông tin băng hẹp Do phụ thuộc vào

độ rộng và hình dạng của xung, băng thông của tín hiệu có thể đạt được vài trăm MHz đến vài GHz trong khi đối với các hệ thống khác, băng thông thường nhỏ hơn 10% tần số trung tâm

Hình 1.2.2 Tín hiệu xung và phổ của hệ thống UWB

Với băng thông rất rộng, UWB có kênh truyền vượt trội so với các hệ thống vô tuyến khác Dung lượng kênh truyền theo định lý Shannon được định nghĩa như sau:

C = BW log2 (1 + SNR) (1.1)

Trang 13

Với: C : Dung lượng kênh (bits/sec)

BW : Băng thông kênh truyền (Hz)SNR : Tỷ số tín hiệu trên nhiễuPhương trình trên cho thấy dung lượng kênh truyền tăng tuyến tính theo băng thông, mà băng thông của kỹ thuật UWB rất lớn nên kỹ thuật UWB có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ cao, dung lượng lớn

Phương pháp điều chế thời gian (Time – Modulated) cho UWB dựa trên việc phát không liên tục các xung Gauss cực ngắn hoặc một số dạng xung khác như xung monocycle… Mỗi xung

có phổ tần số rất rộng (Ultra Wide) Phương pháp truyền dẫn này không yêu cầu phải có sóng mang, các xung sẽ được truyền trực tiếp trên kênh truyền UWB Các nguyên lý trên được xem là

kỹ thuật phát xung (IR) trong UWB Mỗi bit thông tin sẽ được trải trên N xung monocycle để chống nhiễu và hiện tượng giao thoa (Interference) trên kênh truyền Độ lợi tiến trình (Processing gain) của phương pháp truyền dẫn này được dẫn ra bởi công thức:

PG1 = 10 log10 ( N ) (1.2)Dạng xung monocycle cho UWB phải có phương trình thỏa mãn phổ tần số rộng Xung Gauss, xung Laplace, xung Rayleigh, xung Hermit là các xung phù hợp với yêu cầu trên Điều chế dữ liệu cho UWB thường dựa trên phương pháp định vị xung (Pulse Position Modulation - PPM), phương pháp điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation – PAM) Tại bộ thu tín hiệu sẽ lấy tương quan chéo trực tiếp từ tín hiệu RF thu được, do đó không cần sự xuất hiện của

bộ converter nữa Không giống như trong các hệ thống trải phổ hiện hành, các xung trong UWB không cần thiết phải xuất hiện trong toàn bộ chu kỳ Có nghĩa là chu kỳ làm việc (duty cycle) có thể rất thấp Bộ thu chỉ cần phát hiện tín hiệu trên kênh truyền trong một khoảng thời gian rất ngắn giữa các xung Do đó, Processing Gain tại bộ thu:

PG2 = 10 log10 (

p

fT

T

Với Tf : Khung thời gian dịch (Time hopping frame)

Tp : Độ rộng xung ( Impulse Width)

Do đó, độ lợi tổng của tiến trình (Total Processing Gain) sẽ là tổng của hai độ lợi trên:

Trang 7

Trang 14

hiện tượng giao thoa xung (InterPulse Interference) Trong miền thời gian, xung monocycle Gauss được xác định bởi vi phân bậc nhất của xung Gauss Hình 1.2.3 và 1.2.4 sẽ biểu diễn xung monocycle Gauss trong miền thời gian và tần số với độ rộng xung khác nhau:

Hình 1.2.3 Xung monocycle Gauss trong miền thời gian

Trang 15

Hình 1.2.4 Xung monocycle Gauss trong miền tần số

Hàm toán học của xung monocycle Gauss được xác định như sau:

p

f T p

Trang 16

Hình 1.2.5 Hệ thống UWB dựa trên TH- PPM

Dạng xung và phổ của nó trong hệ thống được trình bày ở hình 1.2.6 và 1.2.7.Trong hình 1.2.6, đường nét liền diễn tả cho xung được tạo ra và đường nét đứt diễn tả cho dạng xung trên kênh truyền Anten UWB hoạt động tương đương với 1 bộ lọc thông cao và có thể được thay thế bởi 1 khối vi phân trong miền thời gian Do đó, dạng xung được truyền đi trên đường truyền sẽ là dạng vi phân bậc nhất của tín hiệu xung được tạo ra

Hình 1.2.6 Các dạng xung Gauss trong hệ thống TH UWB

Trang 17

Hình 1.2.7 Phổ bên miền tần số

Trong hình 1.2.6 và 1.2.7, xung Gauss kép (Gaussian Doublet Pulse) cũng được đưa ra như một dạng xung đầy tiềm năng sẽ được dùng trong tương lai Tuy nhiên dạng xung này chỉ phù hợp cho các ứng dụng định vị hơn là các ứng dụng thông tin liên lạc của UWB Bởi vì nó có độ rộng xung gấp 2 lần xung Gauss và có thời gian trễ giữa 2 xung là Tw Do đó sẽ giới hạn băng thông và không thể dùng cho các ứng dụng thông tin dữ liệu tốc độ cao Trong một số trường hợp

Tw của xung Gauss kép được dùng để tạo ra các khỏang phổ trắng với chủ ý chống hiện tượng giao thoa Với băng thông rộng, tín hiệu UWB còn có khả năng chống lại hiện tượng fading Không giống như hệ thống băng hẹp, UWB chỉ phụ thuộc vào hình dạng xung do đó độc lập với tốc độ dữ liệu Vì vậy ngay cả ở tốc độ dữ liệu thấp, hệ thống UWB vẫn có khả năng chống fading

Tóm lại, hệ thống UWB có một số ưu điểm và khuyết điểm riêng như sau:

Trang 18

 Khó đồng bộ máy phát và máy thu.

 Công suất tiêu thụ thấp nên giới hạn khoảng cách truyền

1.3 Các tiêu chuẩn của UWB

1.3.1 Tiêu chuẩn UWB của USA (FCC)

Định nghĩa đầu tiên được đưa ra để xác định một tín hiệu UWB là băng thông tín hiệu phải trên 0.25 Công thức Taylor của băng thông tín hiệu UWB được xác định như sau:

H L

f f B

Trang 19

Hình 1.3.1 Tiêu chuẩn UWB của FCC

1.3.2 Tiêu chuẩn UWB của Châu Âu

CEPT (European Conference Postal and Telecommunication) đã lập nhóm CEPT/ERC/REC 70-30 (Ultra-Wide Band Working Group, 1999) nhằm đưa ra các chuẩn cho UWB Dưới đây là chuẩn ITU 2002 cho các ứng dụng indoor và outdoor :

Trang 13

Trang 20

Hình 1.3.2 Tiêu chuẩn UWB của ITU 1.4 Ứng dụng của kỹ thuật UWB

 Hệ thống thông tin và đo lường

 Hệ thống radar

 Hệ thống định vị dưới mặt đất, xuyên tường, hình ảnh y khoa, giám sát

Hình 1.4.1 Local/Personal area Network

Hình 1.4.2 Hệ thống dò tìm bom đạn

Trang 21

Hình 1.4.3 Nhìn xuyên tường

Hình 1.4.4 Radio Frequency Identificatio

Trang 15

Trang 22

Hình 1.4.5 Một số ứng dụng khác của UWB 1.5 Anten ứng dụng trong UWB radar:

1.5.1 Yêu cầu cần có đối với Anten dùng cho UWB radar

 Hoạt động ở băng thông cực rộng

 Đảm bảo được sự tuyến tính pha trong dải tần hoạt động (để có thể phục hồi chính xác khi dạng sóng ngõ vào không phải dạng sin)

 Các anten thu-phát phải đảm bảo tính trung thực tín hiệu với sai lệch nhỏ nhất

1.5.2 Một số loại Anten ứng dụng cho UWB Radar

Trang 23

Trang 17

Trang 24

Hình 1.5 Một số lọai Antenna thường dùng trong UWB Radar

Trang 25

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN2.1 Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

 Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng diện từ ràng buộc

 Bức xạ sóng ra không gian Sóng sẽ được truyền dưới dạng sóng điện từ tự do

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi

là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóng điện từ (thiết bị anten)

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

Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này sẽ được truyền theo fide tới máy thu Nhưng cần lưu ý năng lượng điện từ mà anten thu tiếp nhận từ không gian ngoài

sẽ chỉ có một phần được truyền tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại không gian (bức xạ thứ cấp)

Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa

Trang 19

Trang 26

vào một góc hẹp trong không gian.

Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do,mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định,với các yêu cầu

kỹ thuật cho trước

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada điều khiển cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.Trong trường hợp tổng quát,anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống,trong đó chủ yếu là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten đã được vẽ ở hình 2.1.1

Hình 2.1 Hệ thống thu phát vô tuyến.

Trang 27

2.2 Các đặc tính của anten

Có nhiều thông số khác nhau được sử dụng để mô tả đặc tính hoặc chất lượng của anten Tùy loại anten mà một số trong các thông số này được sử dụng để mô tả, đánh giá đặc tính của anten Và dĩ nhiên, các thông số này còn được sử dụng trong việc tính toán một tuyến liên lạc vô tuyến hoặc một mạch điện có anten

2.2.1 Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern)

Được dùng để biểu diễn đặc tính bức xạ của anten Là một biểu thức toán học hoặc một đồ

thị trong hệ trục tọa độ trong không gian Thông thường đồ thị bức xạ biểu diễn trường vùng xa

của các đại lượng như:Mật độ bức xạ, Cường độ bức xạ,Cường độ trường, Hệ số định hướng

Anten có nhiều dạng và nhiều cấu trúc khác nhau có loại rất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp Ta có hai loại anten là anten vô hướng và anten có hướng:

a Anten vô hướng: là anten có bức xạ công suất một cách đồng nhất trong một góc khối 4

π

b Anten có hướng: là anten mà nó tập trung công suất theo một hướng nhất định vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số hướng tính D( θ ϕ , ) và độ lợi G(θ ϕ , ) D(θ ϕ , ) mô tả kiểu bức xạ, G(,

θ ϕ ) cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ)

Hình 2.2.1 Bức xạ đẳng hướng và bức xạ định hướng.

Trang 21

Trang 28

Hình 2.2.2 Bức xạ vô hướng và bức xạ đẳng hướng.

2.2.2 Các búp sóng (Lobes)

a HPBW: độ rộng nửa công suất (Half-Power Beamwidth): là góc giữa 2 hướng có cường

độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xạ ở 2 hướng này giảm 3dB so với hướng cực đại)

b FNBW: độ rộng bức xạ không đầu tiên (First Null Beamwidth): là góc giữa 2 hướng có

cường độ bức xạ bằng 0 nằm 2 bên hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng

Hình 2.2.4 Các búp sóng trong không gian 3 chiều

Trang 29

Hình 2.2.5 Các búp sóng được vẽ đồ thị vuông góc

2.2.3 Băng thông (Bandwidth)

Là khoảng tần số mà trong đó một (hoặc vài) đặc tính của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn xác định Các đặc tính như là: trở kháng ngỏ vào, đồ thị bức xạ, phân cực, mức bức xạ phụ, hướng búp chính, hiệu suất

Trang 30

Hình 2.2.6 Sự biến thiên trường E theo thời gian

2.2.5 Trở kháng ngỏ vào (Input impedance)

Trang 31

2.2.6 Hiệu suất bức xạ của anten(Antenna Radiation Efficiency):

R

R D

R e

R R

=

2.3 Phần tử cơ bản của anten

Phần tử phát xạ chính và thu chính chính của anten là chấn tử đối xứng và không đối xứng:

a Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten Nó gồm hai dây dài bằng nhau (hình trụ, chóp, elipsôit) giữa dây fiđe như hình.Thường dùng nhất là chấn tử đối xứng có chiều dài bằng nửa bước sóng và được gọi là chấn

tử nửa bước sóng

Hình 2.3 Chấn tử đối xứng và không đối xứng

b Chấn tử không đối xứng có một đầu dây nối vào một đầu của máy phát (hay máy thu) còn đầu còn lại của máy phát (hay máy thu ) thì được nối đất

2.4 Nguồn bức xạ nguyên tố của anten

Khi khảo sát các đặc tính của anten phức tạp, ta phải khảo sát các nguồn bức xạ nguyên tố

để làm cơ sở Nguồn bức xa nguyên tố gồm có: lưỡng cực điện và lưỡng cực từ

2.4.1 Lưỡng cực điện

Lưỡng cực điện là một đoạn dây dẫn mãnh và chiều dài l rất nhỏ so với bước sóng

(l <<λ) Trên lưỡng cực điện dòng điện xoay chiều tại mọi nơi đều cùng biên độ và pha

Trang 25

Trang 33

Hình 2.4.2 Đồ thị bức xạ của dipole điện.

Trang 34

Hình 2.4.4 Trường của dipole điện a) và từ b)

Bức xạ của dipole từ trong không gian tự do:

2 2 2 2

1

3 ( ) (120 )

λ

Trang 35

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ANTEN VI DẢI

(MICROSTRIP ANTENNA)3.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, anten vi dải đã được tập trung nghiên cứu khá nhiều, cả về lý thuyết và kỹ thuật Đồng thời cũng đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về mặt công nghệ và ứng dụng trong thực tiễn nhất là lĩnh vực thông tin di động, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần Nó đã tỏ ra là loại anten có nhiều hiệu quả và tiện lợi

Các khái niệm về bức xạ vi dải đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 Nhưng mãi đến 20 năm sau một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là cấu trúc ổn định, trọng lượng bé, kích thước nhỏ, dễ chế tạo và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Không những thế, anten vi dải rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (antenna array), cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong hệ thống CDMA Với nhiều đặc tính thuận lợi như trên nên MSA được thiết kế đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực truyền thông vô tuyến khác nhau

Về cấu tạo, mỗi phần tử anten vi dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bồ phận tiếp điện như hình 3.1 Phiến kim loại được gắn lên trên lớp

đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten vi dải còn có tên gọi là anten mạch in

Trang 29

Trang 36

Hình 3.1 Phần tử anten vi dải

Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày t và hằng số điện môi εr của lớp đế điện môi Phần tử anten vi dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại (hình 3.3 a), hoặc dùng cáp đồng trục, có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn (hình 3.3 c) Tùy thuộc vào hình dạng phiến kim loại và các thông số hình học, ta có các loại anten khác nhau Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng nhất với hoạt động của anten Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, dải tần và hiệu suất của anten

3.2 Các đặc tính của Anten vi dải

Anten vi dải (Microstrip Antenna – MSA) được ứng dụng trong cao tần từ tần số 100MHz đến 100GHz MSA có nhiều đặc điểm thuận lợi so với các anten truyền thống khác và được dùng trong nhiều ứng dụng Tuy nhiên, MSA cũng có một số khuyết điểm cần được cải thiện

Ưu điểm:

 MSA có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất

 Có thể phân cực tuyến tính hoặc phân cực tròn

 Công nghệ chế tạo phù hợp với các mạch cao tần

 Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten

Trang 37

 Dễ dàng tích hợp với các thiết bị di động cá nhân

Khuyết điểm:

 MSA có băng thông hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5% (đây là hạn chế lớn nhất của

 MSA trong ứng dụng đòi hỏi trải phổ rộng, và một số MSA có độ lợi thấp)

 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten

 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối

 Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp

Một số ứng dụng của MSA:

 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 các dãy MSA để định vị

 Các loại vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng

 GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA

3.3 Các phương pháp phân tích anten vi dải

Một trong những phương pháp phân tích anten vi dải là phương pháp moment, khi các anten vi dải có hình dạng tùy ý Đây là phương pháp rất hữu hiệu để tính toán các anten vi dải, không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong mạchệc nghiên cứu và thiết kế các anten vi dải đa dạng trong thực tế phát triển của công nghệ truyền thông Trong phần này, sẽ giới thiệu về phương pháp phân tích anten vi dải dựa trên sự quan sát và suy luận vật lý

để có thể tìm hiểu nguyên lý của anten vi dải một cách rõ ràng hơn theo các khía cạnh kỹ thuật.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 trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp Trong mục này sẽ chỉ đề cập đến phương pháp đường truyền dẫn

Trang 31

Trang 38

hình 3.3 b Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải nửa sóng.

Hình 3.3 Mô hình anten vi dải 3.4 Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs)

Trong phần này sẽ đề cập đến anten vi dải hình chữ nhật, với 2 loại nửa sóng và phần tư sóng

3.4.1 Anten vi dải 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 Chiều dài L xấp xỉ bằng nửa bước sóng

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	4,61 MB