Nghiên ứu ải thiện băng thông ủa anten lưỡng ự sử dụng ấu trú siêu vật liệu điện tử

Trang 1 NGUYỄN THỊ THÙY GIANGBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN THỊ THÙY GIANGKỸ THUẬT VIỄN THÔNGNGHIÊN CỨU CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC SỬ DỤNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN THỊ THÙY GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và tập thể nghiên cứu, không sao chép nguyên bản từ công trình nghiên cứu hay luận văn của người khác Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Hà Nội, ngày 11 tháng 10 năm 2019

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thùy Giang

L Ờ I CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ giúp đỡ nhiệt tình cho - , tôi trong suốt quá trình học tập vàthực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, các đồng chí lãnh đạo của cơ quan đang công tác và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

M C L C Ụ Ụ

MỞ ĐẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 11

1.1 Khái ni m v anten 11ệ ề 1.2 Các thông s ố và đặc tính cơ bản của anten 13

1.3 K t luế ận chương 18

CHƯƠNG 2 ANTEN LƯỠNG CỰC 19

2.1 Gi i thi u chung 19ớ ệ 2.2 V t li u thi t k anten 28ậ ệ ế ế 2.3 K t luế ận chương 30

CHƯƠNG 3 SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 31

3.1 Khái ni m 31ệ 3.2 Đặc điểm c a siêu v t li u 32ủ ậ ệ 3.3 C u trúc SSR 33ấ 3.4 Phân tích c u trúc SRR 34ấ 3.5 Tổng kết chương 35

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN LƯỠNG CỰC KẾT HỢP SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 37

4.1 Quá trình phân tích 37

4.2 Phần mềm mô ph ng HFSS 38ỏ 4.3 Mô hình và k t qu mô ph ng cế ả ỏ ủa anten lưỡng c c 43ự

4.4 Mô ph ng s d ng c c nhỏ ử ụ ọ ựa cố đị nh giữa anten và ground 51

4.5 Mô hình ch t o c a anten và k t qu ế ạ ủ ế ả đo thực nghi m 54ệ 4.6 K t luế ận chương 58

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ khối hệ thống thu và phát đơn giản 12

Hình 1.2 Hình ảnh anten như thiết bị chuyển tiếp 12

Hình 1.3 Hệ thống tọa độ phân tích anten 13

Hình 1.4 Búp sóng không gian ba chiều 14

Hình 1.5 Góc nửa công suất trong tỉ lệ dB 14

Hình 1.6 Hình dạng hệ số định hướng trong mặt phẳng hai chiều của dipole nửa bước sóng so với anten đẳng hướng 15

Hình 1.7 Băng thông của anten 17

Hình 2.1 Anten lưỡng cực 19

Hình 2.2 Anten lưỡng cực ngắn 20

Hình 2.3 Anten lưỡng cực nửa bước sóng 22

Hình 2.4 Anten lưỡng cực gấp 23

Hình 2.5 Đồ thị anten lưỡng cực 25

Hình 2.6 Mẫu bức xạ chuẩn hóa các anten lưỡng cực có chiều dài xác định 26

Hình 2.7 Mô hình bức xạ 3D chuẩn hóa anten lưỡng cực bước sóng 1 bước 27

Hình 2.8 Đường truyền không cân bằng (cáp đồng trục) được kết nối với anten lưỡng cực 27

Hình 2.9 Các cấu trúc khác nhau của sợi thủy tinh dùng cho mạch in PCB 29

Hình 3.1 Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái vật liệu thông thường (RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) [6] 31

Hình 3.2 Phân loại vật liệu [7] 32

Hình 3.3 Cấu trúc chung của bộ vòng cộng hưởng chia vòng 33

Hình 3.4 Phân tích cấu trúc vòng 34

Hình 4.1 Minh họa mô phỏng kết cấu công trình bằng HFSS 38

Hình 4.2 Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều 40

Hình 4.3 Sơ đồ khối mô phỏng 43

Hình 4.3 S11của anten lưỡng cực đơn 44

Hình 4.4 Đồ thì bức xạ 3D của anten lưỡng cực đơn tại tần số f=1.5 GHz 44

Hình 4.5 Đồ thị bức xạ phương hướng anten lưỡng cực đơn tần số f=1.5 GHz 45

Hình 4.6 Mặt trên của anten (đơn vị mm) 46

Hình 4.7 Mặt dưới của anten (đơn vị mm) 46

Hình 4.8 S11của anten kết hợp SRR với anten đơn 47

Hình 4.9 Đồ thị bức xạ 3D của anten kết hợp SRR ở tần số f=1.5 GHz 47

Hình 4.10 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten kết hợp SRR với f= 1.5 GHz 48

Hình 4.11 Hình dạng của anten trong HFSS 49

Hình 4.12 Mô hình anten đề xuất (đơn vị mm) 49

Hình 4.13 So sánh S11 của anten kết hợp SRR và ground với các anten thiết kế còn lại 50

Hình 4.14 So sánh các kết quả đồ thị bức xạ phương hướng của các anten đề xuất ở tần số f= 1.5 GHz 50

Hình 4.15 Đồ thị bức xạ 3D của anten kết hợp SRR và ground, f= 1.5 GHz 51

Hình 4.16 Mô hình anten trong HFSS 52

Hình 4.17 So sánh S11 của anten với anten gắn cọc nhựa 52

Hình 4.18 So sánh đồ thị bức xạ phương hướng của anten với anten kết hợp cọc nhựa với f= 1.5 GHz 53

Hình 4.19 Đồ thị bức xạ 3D của anten kết hợp cọc nhựa, với f= 1.5 GHz 53

Hình 4.24 Mặt dưới của anten 55

Hình 4.25 Mặt trên của anten 55

Hình 4.20 Hình ảnh chế tạo thực tế anten 55

Hình 4.21 Chế tạo anten khi hàn cáp tiếp điện 56

Hình 4.22 S11 giữa lý thuyết và thực tế 57

Hình 4.23 Kết quả đo thực tế 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thành phần cơ bản của sợi thủy tinh 29Bảng 4.1 Bảng so sánh dải tần hoạt động và bức xạ phương hướng của anten khi kết hợp phương pháp khác nhau 54

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Vi t t t ế ắ Thuật ng tiữ ếng anh Thuật ng tiữ ếng việt

SRR Split Ring Resonator B cộ ộng hưởng chia vòng

RF Radio Frequency T n s vô tuy n ầ ố ế

HFSS High Frequency Structure

Simulator

Mô ph ng c u trúc tỏ ấ ần số cao

IEEE Institute of Electrical

and Electronics Engineers

Vi n k ệ ỹ sư điện và điệ ửn t

PCB Printed Circuit Board B ng mả ạch in

WLAN Wireless Local Area Network M ng cạ ục bộ không dây LTE Long-Term Evolution Ti n hóa dài h n ế ạ

UHF Ultra high frequency T n s cầ ố ực cao

MỞ ĐẦU

Việc gia tăng nhanh chóng dữ liệu di động và việc sử dụng các thiết bị điện tử thông minh truy cập internet đã tạo nên những thách thức chưa từng có cho các nhà cung cấp dịch vụ không dây, đặc biệt là việc thiếu băng thông toàn cầu Dự đoán dựa trên những số liệu thống kê gần đây, lưu lượng thông tin di động trên toàn thế giới tăng gấp đôi sau mỗi năm nên mạng không dây sẽ đối mặt với sự tắc nghẽn vào năm

2020 Các nhà cung cấp phải bổ sung các công nghệ và cấu trúc mới, đáp ứng thích hợp với nhu cầu của nhà cung cấp và khách hàng

Anten là thiết bị ố c t lõi của tấ ả các hệ ốt c th ng thông tin vô tuy n, ngoài ra anten ếcòn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu nh các k thu t m i D i t n s trong ờ ỹ ậ ớ ả ầ ốkhoảng từ 0,6 đ n 6GHz là dải tầ ốế n t i ưu cho các m ng 2G/3G/4G/5G T n sạ ầ ố sóng mang ở ả d i tần này cho phép cấp phát băng thông tần số lớn và cho tốc đ truyền tải ộ

d ữ liệu cao hơn Hơn nữa, ph tần này cũng cho phép nhà cung cấp dịổ ch v m rụ ở ộng đáng kể băng thông, vư t xa giá tr ợ ị20 MHz đang đượ ửc s dụng cho mạng 4G Bằng cách tăng băng thông, tốc đ d li u tăng lên rấộ ữ ệ t nhi u, trong khi trễề lưu lư ng số ợgiảm mạnh, vì vậy, việc truy cập internet và các ứng dụng yêu c u trầ ễ nhỏ được hỗ trợ ộ m t cách tốt hơn

Chính nhờ những đ c tính ưu viặ ệt này, việc nghiên cứu, tìm hiểu về truyền thông

ở ả d i sóng decimet nói chung và anten nói riêng tr nên rở ất cần thiết Trong phạm vi của luận văn này, tôi sẽ nghiên cứu và đưa ra mô hình anten đề xu t, k t h p vớ ửấ ế ợ i s dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ và mặt phản xạ Ngoài ra, tôi sử dụng các kỹ thuật trong thiết kế anten như phương pháp “Siêu vật li u” đ làm tăng đ tăng ích cho ệ ể ộanten

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Khắc Kiểm v ề những định hướng, nh n xét quý báu trong suốậ t quá trình th c hi n đ ự ệ ềtài

Xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Viện Điệ ử n t - Viễn thông, Đại

học Bách Khoa Hà Nộ đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ i tôi trong suốt th i gian h c ờ ọtập và hoàn thành chương trình đào tạo

Tôi cũng xin cảm ơn các b n ở CRD Lab thư viện Tạ Quang Bửạ - u đã có nh ng ữgóp ý và giúp đỡ tôi nhi t tình ệ

Hà Nội, tháng 10 năm 2019

H c ọ viên thực hiện

Nguyễn Th Thùy Giang ị

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Nội dung chương này trình bày v h thề ệ ống thu phát tín hiệu không dây, các tham

s ố đặc tả hiệu su t cấ ủa anten Các thông số ỹ k thu t này giúp ta có cái nhìn t ng th v ậ ổ ể ềanten

1.1 Khái niệm về anten

Anten là thi t bế ị dùng để ứ b c xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điệ ừn t Trong thông tin vô tuy n, anten có vai trò không thế ể thiếu bởi vì đã là hệ ố th ng vô tuyến nghĩa

là hệ ống trong đó có sử ụng sóng điệ th d n từ Do đó không thể không dùng đến thi t bế ị

để ứ b c x hoạ ặc thu sóng điệ ừn t (thi t b anten) Thi t b ế ị ế ị dùng để ứ b c x ạ sóng điệ ừn t (anten phát) ho c thu nh n sóng (anten thu) tặ ậ ừ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là c u trúc chuy n ti p gi a không gian t do và thiấ ể ế ữ ự ết bị ẫ d n sóng (guiding device)

Trong một hệ thống liên l c vô tuyạ ến đơn giản bao g m máy phát, máy thu, anten ồphát và anten thu, thông thường máy phát và anten phát cũng như máy thu và anten thu được n i vố ới nhau qua đường truyền năng lượng điệ ừ ọn t , g i là Fide Trong h th ng ệ ốnày, máy phát tạo ra dao động điện cao tần và dao động điện s đượẽ c truyền đi theo Fide đến Anten phát dướ ạng sóng điệ ừi d n t ràng bu c ộ Sóng này được truy n theo fide t i ề ớmáy thu Yêu cầu của thiế ị t b anten và fide là ph i th c hi n vi c truy n và biả ự ệ ệ ề ến đ i ổnăng lượng v i hi u su t cao nh t và không gây ra méo d ng tín hi u [1] C u t o c a ớ ệ ấ ấ ạ ệ ấ ạ ủanten sẽ quy t đế ịnh đặc tính biến đổi năng lượng điệ ừ nói trên Dưới đây là sơ đồ ộn t m t

h th ng thu hoệ ố ặc phát đơn giản vớ ựi s tham gia c a anten: ủ

Hình 1 1 Sơ đồ khối hệ thống thu và phát đơn giản

Anten thu có nhi m v ệ ụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điệ ừ ựn t t

do t không gian ngoài và biừ ến đổi thành sóng điệ ừn t ràng buộc Tuy nhiên năng lượng mà anten thu nhận đượ ẽc s ch có m t phỉ ộ ần được truy n t i máy thu, ph n còn ề ớ ầ

l i s bạ ẽ ức xạ ở ạ tr l i không gian

Hình 1.2 Hình ảnh anten như thiết bị chuyển tiếp.

Anten đượ ửc s dụng với những mục đích khác nhau cũng có nh ng yêu c u khác ữ ầnhau

1.2 Các thông s ố và đặc tính cơ bản của anten

1.2.1 Đồ thị ứ b c x ạ

Một dạng bức xạ ủa anten đượ c c định nghĩa là một hàm toán h c hay m t bi u di n ọ ộ ể ễ

đồ ọ h a của đ c tính b c xạ ủặ ứ c a anten trong t a đ không gian Trong h u họ ộ ầ ết các trường

hợp, dạng bức xạ được xác định trong trường ở vùng xa anten và được biểu diễn dưới

dạng hàm của các tọa đ có hướng Đặc tính bức xạ quan tâm nhiều nhất là sự phân bốộkhông gian ba chiều của năng lượng b c xạ như mộứ t hàm của vị trí người quan sát với bán kính không đổi [2]

Hình 1.3 Hệ thống tọa độ phân tích anten

1.2.2 Độ ộ r ng búp sóng (Beamwidth)

Độ ộ r ng búp sóng của anten được định nghĩa là góc giữa hai điểm trên hai c nh đ i ạ ố

diện nhau của dạng bức xạ ự c c đ i Đ ộng búp sóng nửa công su t là góc gi a hai bán ạ ộ r ấ ữkính vector có giá tr b ng nị ằ ửa cường độ công su t cấ ực đại [3][4]

Hình 1.4 Búp sóng không gian ba chiều.

Hình 1.5 Góc nửa công suất trong tỉ lệ dB 1.2.3 H s nh ệ ố đị hướng (Directivity)

H s ệ ố định hướng của anten được định nghĩa là tỉ l ệ cường độ ức xạ trong một bhướng nhận đượ ừ anten trên cường độ ức t b c x trung bình trên t t c các hư ng Nói ạ ấ ả ớ

D: độ định hướng

Dmax: độ định hướng l n nh t ớ ấ

U: cường độ ứ b c x ạ (W/đơn vị góc kh i) ố

Umax: cường độ ứ b c x l n nhạ ớ ất (W/đơn vị góc kh i) ố

U0: cường độ ứ b c x c a nguạ ủ ồn đẳng hướng (W/đơn vị góc kh i) ố

Prad: công su t bấ ức xạ ổ t ng c ng (W) ộ

Hình 1.6 Hình dạng hệ số định hướng trong mặt phẳng hai chiều của dipole nử bước a

sóng so với anten đẳng hướng

1.2.4 H s ệ ố tăng ích (Gain)

Độ tăng ích của anten trong một hướng xác định là t s cưỉ ố ờng độ theo một hướng

nhất định trên cường độ ức xạ có thể thu được nếu công suất đó nhận được bởi anten b

bức xạ đẳng hướng Hay một cách định nghĩa khác như sau: độ tăng ích của anten là s ố

lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho v n gi nguyên cẫ ữ ường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định ( , )

1.2.5 Băng thông hay d i t n công tác c a anten (Bandwidth) ả ầ ủ

Băng thông của anten được định nghĩa là dả ầi t n s anten hoố ạ ột đ ng có liên quan tới một vài đặc tính, phù h p v i m t tiêu chu n đã xác định trước Băng thông có thể được ợ ớ ộ ẩcoi là d i tả ần số ở c ả hai phía của tần số trung tâm (thông thường t n s cầ ố ộng hưởng của dipole) nơi mà các đặc tính của anten (như trở kháng vào, d ng b c xạ ứ ạ, độ ộ r ng búp sóng, phân c c, m c búp sóng phự ứ ụ, tăng ích, hướng búp sóng, hiệu suấ ức xạt b ) nằm trong giá tr ị chấp nhận được của tần s ố trung tâm đó

• Nếu mặt phẳng phân cực không thay đổi thì sóng điện từ phẳng đó là phân cực

thẳng Trong trường hợp này vector E luôn song song v i mớ ột trục cố đị nh

• Nếu mặt phẳng quay xung quanh trục của phương lan truyền sóng thì g i là phân ọcực quay, trong trường h p này vector E quay xung quanh trợ ục đó Có hai loại phân c c ựquay là phân c c tròn và phân c c elip ự ự

1.2.7 Trở kháng vào c a anten (Imput Impedance) ủ

Tr ở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực (trở kháng) và phầ ảo (dungn kháng hoặc cảm kháng) là tỉ ố ữa điện áp U s gi A đặt vào anten và dòng điện IA chạy trong anten

ZA = = RA + jXA

Thành ph n thầ ực của tr kháng vào Rở Ađược xác định b i công suở ất đặt vào anten

PAvà dòng điện hi u d ng tệ ụ ại đầu vào của anten IAe

RA = Thành ph n tr ầ ở kháng RA bao g m hai thành ph n: ồ ầ

RA = Rr + RL Trong đó:

Rr: tr ở kháng bức xạ ủa anten c

RL: điện tr suy hao c a anten ở ủ

1.3 K t luế ận chương

Chương này đã trình bày một vài chi ti t cơ b n v các thông sế ả ề ố và đặc tính quan

trọng của một anten, từ đó giúp ta nhìn nhận rõ cách thức hoạt động của nó Từ các thông số kĩ thuật trên ta sẽ đưa ra được mục tiêu thiết kế chi tiết để ch tế ạo anten đúng như yêu cầu

CHƯƠNG 2 ANTEN LƯỠNG CỰC

Nội dung chương trình bày khái quát về anten lưỡng cự , bao gồm các loại anten clưỡng c c, cách tiự ếp điện cho anten lưỡng c c, mô hình b c x , tr ự ứ ạ ở kháng đầu vào c a ủanten Bên cạnh đó, ận văn làm rõlu tính ch t c a lo i v t li u n n làm anten là FR4 ấ ủ ạ ậ ệ ề2.1 Gi i thiớ ệu chung

2.1.1 Anten lưỡng c c ự

Một anten lưỡng cực là loại anten radio đơn giản nhất, bao gồm một thanh dẫn điện

có độ dài b ng m t n a đ dài cằ ộ ử ộ ủa bước sóng tối đa mà anten đượ ạc t o ra Thanh dây này được chia gi a và hai phở ữ ần được cách nhau b ng m t chằ ộ ất cách điện M i thanh ỗđược k t n i v i mế ố ớ ột cáp đồng tr c cu i g n nh t gi a anụ ở ố ầ ấ ữ ten Điện áp t n s vô tuy n ầ ố ếđược áp d ng cho anụ ten lưỡng c c gi a, gi a hai dây d n ự ở ữ ữ ẫ

Dipole cung c p hiấ ệu suấ ốt nhấ ếu nó dài hơn nửa bướt t t n c trên m t đ t, b m t c a ặ ấ ề ặ ủ

một cơ thể của nước hoặc môi trường dẫn ngang như tấm lợp kim loại Các yếu tố cũng nên là một bước sóng nhất định đi từ ậ v t cản dẫn điện như tháp hỗ ợ tr , dây ti n ích và ệanten khác Anten lưỡng cực được đ nh hư ng theo chi u d c, chi u ngang ho c ị ớ ề ọ ề ặnghiêng S phân cự ực của các trường điện từ được phát ra b i các anten truyở ền lưỡng

cực tương ứng với định hướng phần tử Hiện tại tần số vô tuyến (RF) trong lưỡng cực

là cực đại t i các tâm cạ ủa lưỡng cực và ở ứ m c tối thiể ởu các đầu c a ph n tủ ầ ử, và ngược

l i vạ ới điện áp RF

Hình 2.1 Anten lưỡng cực.

tần số hoạ ộng Đểt đ làm cho cộng hưởng anten, cho phép nguồn cấp dữ ệu hiệu quả li

t mừ ột đường dây truyền tải, cần phải có cuộn dây tải để ủy phản ứng điện dung của hanten Các lưỡng c c ngự ắn được s d ng trong các ng d ng mà mử ụ ứ ụ ột lưỡng c c n a ự ửsóng đầy đủ ẽ quá dài và rườ s m rà Khi chi u dài b giề ị ảm, các báo cáo định lượng dưới đây trở nên chính xác

Hình 2.2 Anten lưỡng cực ngắn.

Điểm c p d liấ ữ ệu thường ở trung tâm của lưỡng c c C u hình hi n t i trong m i ự ấ ệ ạ ỗ

ph n t , thầ ử ực sự là đầu đuôi của một sóng đứng hình sin, là kho ng m t phân ph i hình ả ộ ốtam giác gi m tả ừ dòng nguồn cấp dữ liệu xuống 0 ở các đầu Mô hình trường điện trường

xa khoở ảng cách r theo hướng θ t tr c củừ ụ a anten, nằm theo hướng ((ngang theo hướng sóng, trong m t phặ ẳng của anten) có độ ớ l n:

Trong đó:

w là t n s góc (radian/s)ầ ố

k là wavenumber (k= )

c là tốc độ ánh sáng (3*108 m/s)

I0ewt là dòng nguồn ấp dữ ệc li u (A)

Dạng bức xạ này tương tự và chỉ hơi kém hướng hơn so với lưỡng c c n a sóng S ự ử ử

dụng biểu thức trên cho bức xạ trong trường xa cho m t dòng ngu n c p d liộ ồ ấ ữ ệu đã cho, chúng ta có th ể tích hợp trên t t c ấ ả các góc rắn để thu được tổng công su t bấ ức xạ

Trong đó Z0 là tr kháng c a không gian tr ng Zở ủ ố 0=

T ừ đó, có thể suy ra điện tr b c x , b ng phở ứ ạ ằ ần điện tr (th c) c a tr ở ự ủ ở kháng điểm,

b ỏ qua một thành phần do tổn thất ohmic Bằng cách đặt tổng P thành công suất được cung c p tấ ại điểm cấp dữ ệ li u I Rradiation (vì I0là dòng đỉnh) chúng ta th y: ấ

Một lần nữa, các mối quan hệ này chính xác cho L λ / 2 Thiết lập L = λ / 2 bất

kể, công thức này sẽ ự đoán một điện trở ức xạ ấp xỉ 49 Ω, thay vì giá trị ực của d b x th

x p xấ ỉ 73 Ω áp dụng cho lưỡng cực nửa sóng

Anten lưỡng c c nự ửa bước sóng

Hình 2.3 Anten lưỡng cực nửa bước sóng

Một anten lưỡng cực nửa sóng bao gồm hai dây dẫn bước sóng tứ được đ t kết thúc ặ

để ế k t thúc v i t ng chi u dài x p x L = λ / 2 Phân b hi n tớ ổ ề ấ ỉ ố ệ ại là sóng đứng , x p x ấ ỉhình sin d c theo chi u dài cọ ề ủa lưỡng c c, vự ới một nút ở mỗ ầi đ u và một antinode (dòng

ng n, cung c p m t giá tr ắ ấ ộ ị cho điện tr bở ức xạ:

S dử ụng phương pháp TÔIF gây ra, phần thực của trở kháng điểm lái cũng có thểđược viết dướ ại d ng tích phân cosin:

Một lưỡng cực gấp là một lưỡng cực nửa sóng với một dây bổ sung k t nế ối hai đầu

của nó Nếu dây bổ sung có cùng đường kính và mặt cắt ngang như lưỡng cực, thì hai dòng bức xạ ầ g n giống hệt nhau được tạo ra

Hình 2.4 Anten lưỡng cực gấp.

Mô hình phát x ạ trường xa g n gi ng vầ ố ới mô hình lưỡng cực đơn dây được mô t ả ởtrên, nhưng tạ ộng hưởi c ng tr ở kháng điểm c a nó Rủ fd gấp bốn lần điện trở ức xạ ủa b clưỡng cực đơn dây Điều này là do một lượng điện c nh, tố đị ổng lượng b c x Iứ ạ 0 bằng hai lần dòng điện trong mỗi dây và do đó bằng hai lần dòng điệ ại điển t m c p dấ ữ ệ li u Cân b ng công su t bằ ấ ức xạ trung bình v i công suớ ất trung bình được cung c p tấ ại điểm

c p d li u, chúng ta có th vi t: ấ ữ ệ ể ế

= ( )2

dẫn cho các mặt được nạp và gấp Thay vì thay đổi độ dày hoặc khoảng cách, người ta

có th ể thêm một dây song song th ứ ba để tăng trở kháng ăng ten gấp 9 lần so với lưỡng

cực một dây, tăng trở kháng lên 658 ohms, làm cho kh p n i t t v i cáp ngu n c p cớ ố ố ớ ồ ấ ửa

s ổ và hơn nữa mở ộ r ng d i t n cả ầ ộng hưởng c a anten ủ

2.1.3 Đặ điểc m c a anten ủ lưỡng c c ự

Tr kháng cở ủa anten lưỡng cực

Tr ở kháng điểm c a mủ ột anten lưỡng c c nh y c m v i chiự ạ ả ớ ều dài điện và v ị trí điểm

cấp dữ ệu của nó Do đó, lưỡ li ng c c nói chung s ch th c hi n tự ẽ ỉ ự ệ ối ưu trên một băng thông khá hẹp, vượt quá tr kháng c a nó sở ủ ẽ ở tr thành một kết nối kém đố ớ ộ phát i v i b

hoặc bộ thu (và đường truyền) Các thành p ần thực (điện trở) và tưởng tượng (phản h

ứng) c a tr ủ ở kháng đó, như một hàm c a chiủ ều dài điện, được th hi n trong biể ệ ểu đồ đi kèm Vi c tính toán chi tiệ ết các số này được mô t ả dưới đây Lưu ý rằng giá tr c a đi n ị ủ ệ

tr ph thuở ụ ộc nhiều vào đường kính của dây dẫn; cốt truyện này dành cho dây dẫn có đường kính 0,001 bước sóng

Anten lưỡng cực là một trong nh ng cữ ấu trúc đơn giản nh t trong các vấ ấn đề tương thích điệ ừn t Giá tr c a tr ị ủ ở kháng đầu vào th c và ự ảo được biết đến v i anớ ten lưỡng

cực Trở kháng khác nhau so với tần số (bước sóng so với chiều dài vật lý anten) Tần

s cố ộng hưởng bước sóng nửa phần thực sự ủa trở kháng nên được 73 ohms, và phầ c n tưởng tượng nên được 42,5 ohms

Trong đó l là chiều dài của anten và a là đường kính Gi s r ng m t << l ả ử ằ ộ

Rin: ph n thầ ực của điện tr bở ức xạ ại đầ t u vào (ngu n cồ ấp dữ ệ li u) thi t b u cu i ế ị đầ ố

Xin: ph n o cầ ả ủa điện tr bở ức xạ ại đầ t u vào (ngu n c p d liồ ấ ữ ệu) đầu vào

Rr: là điện tr bở ức xạ ở ức tối đa hiệ ạ m n t i

đến người nhận không xác định hoặc thay đổi Khi đượ ắc l p theo chi u ngang, m u ề ẫ

bức xạ ẽ có hai thùy đố s i di n ệ ở các góc vuông (90 °) đố ới v i anten và vô hiệu hóa các đầu

Các mẫu bức xạ chu n hóa cho các anẩ ten lưỡng cực có độ dài khác nhau được th ể

hiện trong hình dưới:

Hình 2.6 Mẫu bức xạ chuẩn hóa các anten lưỡng cực có chiều dài xác định.

Anten lưỡng cực bước sóng nhiều hướng hơn anten lưỡng cực bước sóng t quý ứĐây là mộ ết k t qu ả điển hình trong lý thuy t anten: ph i m t m t anten lế ả ấ ộ ớn hơn nói chung để tăng chỉ ị th Tuy nhiên, k t qu không phế ả ải lúc nào cũng rõ ràng Mô hình lưỡng cực 1,5 bước sóng cũng được v ẽ trong hình trên Lưu ý rằng m u này t i đa ẫ ố ởkho ng +45 và -ả 45 độ Anten lưỡng cực là đối xứng khi quan sát phương vị (xung quanh tr c dài cụ ủa lưỡng c c); k t qu là mô hình bự ế ả ức xạ không ph i là m t hàm cả ộ ủa góc phương vị góc phương vị Do đó, anten lưỡng c c là m t ví d c a mự ộ ụ ủ ột anten đa hướ g Hơn nữa, trườn ng E ch có m t thành phỉ ộ ần vectơ và do đó các trường được phân

c c tuyự ến tính Khi được xtôi trong mặt phẳng xy (đố ới lưỡng cựi v c theo trục z), trường E theo hướng -y, và do đó anten lưỡng cực được phân c c theo chi u d c Mô ự ề ọhình 3D cho anten lưỡng cực bước sóng 1 bước được th ể hiện trong hình dưới M u ẫnày tương tự như mẫu cho anten lưỡng c c t và n a sóng ự ứ ử

Hình 2.7 Mô hình bức xạ 3D chuẩn hóa anten lưỡng cực bước sóng 1 bước

2.1.4 K thu t c p ngu n ỹ ậ ấ ồ cho anten lưỡng c c ự

Một Balun đượ ửc s dụng đ "cân bằng" các hệ ống không cân bằể th ng - tức là những nơi mà dòng điệ ừ ột đườn t m ng không cân bằng đến m t đư ng cân bộ ờ ằng (do đó, balun

có ngu n gồ ốc từ ance bal để không cân b ng) Ví d , xtôi xét mằ ụ ột cáp đồng trục kế ối t n

v i mớ ột anten lưỡng cực nửa sóng th hiể ện trong hình dưới:

Hình 2.8 Đường truyền không cân bằng (cáp đồng trục) được kết nối với anten lưỡng

cực

Trong hình trên, một cáp đồng trục được kết nố ới một anten lưỡi v ng cực Đố ới v i

một anten lưỡng cực hoạt động đúng, các dòng trên cả hai cánh tay của lưỡng cực phải

b ng nhau v l n Khi mằ ề độ ớ ột cáp đồng trục được kế ốt n i tr c tiự ếp với một anten lưỡng

cực, tuy nhiên, các dòng s không c n thi t ph i bẽ ầ ế ả ằng nhau Để thấy điều này, lưu ý rằng dòng điện dọc theo đường truy n ph i có độ ớề ả l n b ng nhau trên dây d n bên trong và ằ ẫbên ngoài, như trường hợp điển hình Quan sát nh ng gì xữ ảy ra khi đồng trục được k t ế

nối với lưỡng cực Dòng điện trên dây dẫn trung tâm (lõi trung tâm màu đỏ / hồng của

đồng trục, có nhãn IA ) không còn nơi nào khác để đi, vì vậy ph i ch y d c theo cánh ả ả ọtay lưỡng cực được n i vố ới nó Tuy nhiên, dòng điện ch y d c theo bên trong c a ru t ạ ọ ủ ộ

dẫn bên ngoài ( IB ) có hai lựa chọn: nó có thể truyền xuống anten lưỡng cực, hoặc xuống mặt trái (bên ngoài) của dây dẫn bên ngoài của cáp đ ng trục (có nhãn IC trong ồhình trên) Lý tưởng nh t, IC hi n t i ph i bấ ệ ạ ả ằng không Trong trường hợp đó, dòng điện dọc theo cánh tay lưỡng cực kết nối với dây dẫn ngoài c a đ ng tr c sẽ ằủ ồ ụ b ng v i dòng ớđiện trên cánh tay lưỡng c c khác - mự ột đặc tính anten mong mu n Bố ởi vì lưỡng c c ự

muốn dòng bằng nhau hoặc cân bằng dọc theo cánh tay của nó, nó là phần cân bằng Cáp đồng tr c không c n thiụ ầ ết cho điều này tuy nhiên - m t số dòng điệộ n có th di ểchuyển xuống bên ngoài của coax bên ngoài, dẫn đến hoạt động không cân bằng - đây

thấm nước gần bằng 0), FR4 thường được sử ụng làm ật liệu cách điện có độ ền cơ d v b

học đáng kể Đặc tính cách điện, đặc tính bền cơ học của FR4 vẫn được duy trì ngay c ảtrong các điều ki n khô và ệ ẩm ướt

Cấu tạo c a FR4 ủ

Cấu trúc điển hình của FR4 gồm các thành phần như: chất kết dính, chất gia cường, chất ch ng cháy, chố ất đóng cứng, ch t gi m s co giãn vì nhi t và nhi u ch t ph gia ấ ả ự ệ ề ấ ụkhác

• Chất kết dính: hệ thống kết dính của FR4 bao gồm hai, ba hoặc nhiều nhóm epoxy đa chức năng Thành ph n cơ b n c a s i th y tinh bao gầ ả ủ ợ ủ ồm được mô t ả

Bảng 2 Thành phần cơ bản của sợi thủy tinh.1

Hình 2.9 Các cấu trúc khác nhau của sợi thủy tinh dùng cho mạch in PCB.

• Chất gia cường: các s i thợ ủy tinh đóng vai trò chất gia cường trong quá trình t o ạ

ra các đặc tính ban đầu v cơ h c và v ề ọ ề điện Mi ng s i thế ợ ủy tinh được d t b i 2 ệ ở

loại xơ sợi: sợi trục nằm dọc theo miếng còn sợi điền đầy sẽ ằ n m theo chiều ngang miếng