LỜI MỞ ĐẦUAnten mạch in Microstrip patch antenna được sử dụng rộng rãi trong vùng tần số vi sóng vì tính đơn giản và khả năng tương thích của chúng với công nghệ mạch in, khiến chúng dễ
GIỚI THIỆU
Lịch sử
Nguồn gốc của anten mạch in dường như có từ năm 1953, khi Deschamps đề xuất việc sử dụng các đường cấp vi dải để cấp một dãy các phần tử anten Các phần tử anten in được giới thiệu không phải là các miếng vá vi dải, mà là các sừng phẳng loe ra Tuy nhiên, khái niệm này đã phải đợi khoảng 20 năm được thực hiện sau khi phát triển bản in công nghệ bảng mạch (PCB) vào những năm 1970 Anten mạch in lần đầu tiên được Munson giới thiệu trong một bài báo chuyên đề vào năm 1972, sau đó là một bài báo năm 1974 Những bài báo này đã thảo luận về cả anten mạch in hình tròn và hình chữ nhật.
Cấu tạo
Cấu tạo anten mạch in bao gồm một dải kim loại rất mỏng (gọi là miếng vi dải - patch) - với độ dày t rất nhỏ so với bước sóng trong không gian tự do - được đặt trên mặt phẳng đất 0 (ground plane) và cách mặt phẳng đất độ dày h rất nhỏ so với (thông thường 0.003λ ≤ h ≤ 0 0 0.05λ0) Đối với tấm patch hình chữ nhật, chiều dài L thường nằm trong khoảng λ /3 < L < 0
0 /2; chiều rộng W thường lớn hơn L để đạt được băng thông rộng hơn Nhưng thông thường W = 1.5L.
Hình 2 Anten mạch in thực tế a Anten mảng b Anten đơn lẻ
Miếng vi dải patch và mặt ground được ngăn cách bởi một tấm điện môi (được gọi là chất nền – subtrate) Có rất nhiều loại chất nền khác nhau có thể được sử dụng trong thiết kế anten mạch in với hẳng số điện môi �r trong khoảng 2.2 ≤ �r ≤ 12 Chất nền có hằng số điện môi càng nhỏ sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn, cải thiện băng thông, trường liên kết bức xạ yếu nhưng yêu cầu kích thước lớn Các chất nền với hằng số điện môi cao hơn thường được dùng trong các mạch vi sóng vì chúng yêu cầu trường liên kết chặt để giảm thiểu bức xạ và kết nối không mong muốn, đồng thời kích thước phần tử cũng nhỏ hơn đi kèm với đó là hiệu suất thấp và băng thông hẹp hơn.
Các phần tử bức xạ và đường cấp nguồn thường được quang khắc (photoetched) trên đế điện môi.
Hình 4 Các hình dạng tấm patch Miếng patch vi dải của anten có thể được chế tạo thành hình vuông, chữ nhật, dải mỏng (dipole), tròn, elip, tam giác hoặc bất kì hình dạng nào khác tuỳ vào yêu cầu Anten mạch in với miếng vi dài hình tròn, vuông, hình chữ nhật và dải lưỡng cực là phổ biến nhất bởi tính dễ chế tạo, phân tích cũng như đặc tính bức xạ, đặc biệt là bức xạ phân cực chéo thấp của chúng
Các lưỡng cực vi dải được quan tâm bởi băng thông lớn và chiếm ít không gian hơn, phù hợp trong việc chế tạo các mảng.
Anten mạch in đơn lẻ hay mảng đều có thể cho phân cực thẳng hoặc phân cực tròn
Mảng các phần tử vi dải với một hay nhiều nguồn kích thích có thể được sử dụng để có tính định hướng tốt hơn.
Phương pháp cấp nguồn
Có rất nhiều cách cấp nguồn cho anten mạch in được sử dụng Trong đó phổ biến nhất đó là dùng đường dẫn vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial probe), ghép nối khe (aperture coupling), và ghép nối gần (proximity coupling).
Hình 5 Mạch tương đương cho các cách cấp nguồn 3.1 Microstrip line Đường dẫn vi dải cấp nguồn nối với tấm vi dải (patch) Đường dẫn này và tấm patch của anten được đặt trên cùng một chất nền, ở phía dưới chất nền là mặt phẳng đất (ground plane)
Hình 6 Cấp nguồn bằng Microstrip line Ưu điểm của phương pháp này đó là nó rất dễ để chế tạo, đơn giản trong kết nối - bằng cách kiểm soát vị trí đặt - và đơn giản trong thiết kế mô hình Nó dễ để sử dụng trong các mảng phần tử.
Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khi tăng độ dày h của chất nền (subtrate), sóng bề mặt và đường bức xạ của nguồn sẽ tăng lên, tạo ra các bức xạ nguồn không mong muốn và khiến băng thông trong các thiết kế thực tế hẹp đi từ 2 – 5% Ngoài ra bức xạ có thể bị biến dạng với các rãnh sâu.
3.2 Coaxial probe Sử dụng cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi và là phương pháp cơ bản trong truyền tải cao tần Dây dẫn bên trong của cáp sẽ được gắn vào tấm patch bức xạ trong khi vỏ dẫn bên ngoài kết nối với mặt ground của anten.
Hình 7 Cấp nguồn bằng Coaxial probe Phương pháp này cũng khá đơn giản trong thiết kế anten, dễ chế tạo và kết nối, đồng thời bức xạ không mong muốn từ nguồn thấp Dễ dàng phối hợp trở kháng ở đầu vào thông qua việc thay đổi vị trí cấp nguồn.
Cấp nguồn bằng cáp đồng trục có nhược điểm là khi độ dày của tấm điện môi tăng lên (h > 0.02λ ) đòi hỏi cáp dài hơn, độ tự cảm của cáp tăng làm giảm băng thông, tạo ra bức xạ 0 nguồn không mong muốn Việc cấp nguồn cho mảng bằng cáp yêu cầu số lượng đầu nối tăng, tạo ra khó khăn trong thiết kế.
3.3 Aperture-couplingCả 2 cách cấp nguồn bằng đường vi dải và cáp đồng trục đều làm cho anten mất đi tính đối xứng Điều này tạo ra tạo ra bức xạ phân cực chéo cho anten Để khắc phục một số vấn đề này, phương pháp cấp nguồn ghép khe không tiếp xúc (Aperture-coupling Patch – ACP) đã được tạo ra.
Hình 8 Cấp nguồn bằng Aperture-coupling Phương pháp này là khó chế tạo nhất trong cả bốn cách cấp nguồn thông dụng và băng thông đạt được cũng bị hạn chế Tuy nhiên, nó dễ dàng hơn để mô hình hóa và có bức xạ nguồn được cách li khỏi miếng patch.
Phương pháp này bao gồm hai chất nền được ngăn cách bởi mặt ground đặt ở giữa Ở mặt dưới cùng của chất nền thấp hơn có một đường dẫn vi dải Năng lượng của đường dẫn này được dẫn tới tấm patch thông qua một khe trên mặt ground ngăn cách hai chất nền Sự sắp xếp này cho phép tối ưu hóa tính cách li giữa nguồn cấp và phần tử bức xạ.
Thông thường, vật liệu có hằng số điện môi cao được sử dụng cho chất nền phía dưới và vật liệu có hằng số điện môi thấp cho chất nền bên trên Mặt ground giữa các chất nền cũng cách ly nguồn khỏi phần tử bức xạ và giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ nguồn tới sự hình thành đồ thị bức xạ và tính phân cực.
Các hằng số điện của chất nền, chiều rộng đường dẫn, kích thước và vị trí của khe có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế, cải thiện băng thông Việc phối hợp trở kháng với đầu vào thông thường được thực hiện thông qua thay đổi chiều rộng của đường dẫn phía dưới và chiều dài của rãnh.
3.4 Proximity coupling Cấu trúc anten phương pháp này gồm 2 lớp điện môi với độ dày lớp trên lớn hơn Tấm patch đặt ở trên cùng, đường dẫn cấp nguồn đặt ở giữa 2 lớp điện môi và dưới cùng là mặt ground.
Hình 9 Cấp nguồn bằng Proximity coupling Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ Về bản chất, phương pháp là ghép điện dung giữa tấm patch và đường cấp nguồn Thông số của hai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ rò của đường truyền Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi dưới mỏng hơn Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn Tuy nhiên phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất Chiều dài của đường dẫn và tỷ lệ chiều rộng miếng patch có thể được sử dụng để kiểm soát phối hợp trở kháng.
Trong 4 cách cấp nguồn, phương pháp này đem lại băng thông lớn nhất (có thể lên tới 13%)
Ưu - Nhược điểm Ứng dụng
4.1 Ưu điểm Anten mạch in có những ưu điểm như:
Dễ chế tạo (có thể dùng phương pháp in hoặc quang khắc)
Dễ cấp nguồn (có nhiều cách để cấp nguồn đơn giản)
Dễ sử dụng trong mảng và kết hợp với các phần tử khác
Bức xạ theo hình gần như bán cầu, hệ số định hướng vừa phải từ 5-7dB.
Hình đồ thị bức xạ sau, màu đỏ ứng với đồ thị bức xạ tại mặt phằng ground và tấm subtrate rộng vô hạn, màu xanh ứng với mặt ground 1m.
4.2 Nhược điểm Anten mạch in có một vài điểm hạn chế:
Băng thông hẹp (cần cải thiện bằng các phương pháp kĩ thuật)
Hiệu suất thấp hơn một vài anten khác (tổn thất do đường dẫn, chất nền, sóng bề mặt) 4.3 Ứng dụng
Anten mạch in là loại anten phổ biến nhất với nhiều ứng dụng do lợi thế rõ ràng như trọng lượng nhẹ, cấu hình thấp, chi phí thấp, cấu hình phẳng, dễ tuân thủ, tính di động vượt trội, phù hợp với mảng, dễ dàng chế tạo và tích hợp với mạch tích hợp vi sóng nguyên khối (MMIC) Chính vì thế, chúng được sử dụng rộng rãi cho dân sự và quân sự các ứng dụng như nhận dạng tần số vô tuyến (RFID), đài phát thanh, hệ thống di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), truyền hình, đa đầu vào hệ thống nhiều đầu ra (MIMO), hệ thống tránh va chạm phương tiện, liên lạc vệ tinh, hệ thống giám sát, thiết lập hướng, hệ thống radar, viễn thám, dẫn đường tên lửa, v.v.
Hình 11 Mảng anten cho một máy thu truyền hình vệ tinh
Hình 10 Đồ thị bức xạ mẫu b) Mặt H a)Mặt E
Hình 14 Minh họa chiều dài hiệu dụng Tần số cộng hưởng được tính gần đúngfr
Chiều dài thực tế L của miếng patch được xác định qua công thức
Chiều rộng thực tế để đạt bức xạ tốt là
1.3 Trở kháng đầu vào cộng hưởngMỗi một khe bức xạ của anten được biểu diễn dưới một dẫn nạp Y tương đương (bao gồm điện dẫn G và điện nạp B) Y = G + jB.
Hình 15 Anten mạch in chữ nhật và mô hình transmission-line tương đương Qua mô hình tương đương, người ta chứng minh được một biểu thức thay thế gần đúng cho trở kháng đầu vào, R , cho tấm patch cộng hưởngin
1.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng Kỹ thuật đã chỉ ra rằng ta có thể thay đổi điện trở đầu vào cộng hưởng bằng cách cấp nguồn bên trong – inset feed, đặt sâu một khoảng y so với khe thứ nhất.0
Hình 16 Inset feed matching techniques Kỹ thuật này có thể được sử dụng một cách hiệu quả để phù hợp với anten mạch in sử dụng phương pháp cấp nguồn bằng đường dẫn vi dải (microstrip line) có trở kháng đặc trưng được tính bởi
Trở kháng vào cộng hưởng tại vị trí sâu y là0
Ngoài ra, người ta sử dụng kỹ thuật đường chuyển đổi trở kháng 1/4 bước sóng trong phối hợp trở kháng cho anten.
Hình 17 λ⁄4 impedance transformer matching techniques Giá trị R trong hình là trở kháng tại đầu vào cạnh của miếng vi dải cộng hưởng, nó là in một số thực.
Mục tiêu là khớp trở kháng đầu vào (Z ) với đường truyền (Z ).c 1
Một anten mạch in hình chữ nhật có thể được biểu diễn dưới dạng một mảng gồm hai khe (slots) hẹp bức xạ, mỗi khe có chiều rộng W và chiều cao h, cách nhau một khoảng L.
Anten mạch in giống như các khoang chứa điện môi (với mặt dẫn điện PEC ở trên và dưới),và mặt dẫn từ PMC ở các cạnh bên) Các trường được chuẩn hóa bên trong chất nền điện môi (giữa tấm patch và mặt ground) có thể được xác định chính xác hơn bằng cách coi vùng đó như một khoang được giới hạn bởi các dây dẫn điện (ở phía trên và dưới) và bởi các tường từ tính dọc theo chu vi của miếng patch Tuy nhiên, giả sử rằng các trường thực tế gần đúng với các trường được tạo bởi mô hình này, mẫu được tính toán, độ dẫn đầu vào và tần số cộng hưởng so sánh tốt với các phép đo Đây là một phương pháp được chấp nhận và nó tương tự như các phương pháp nhiễu loạn đã rất thành công trong việc phân tích các ống dẫn sóng, khoang và bộ bức xạ.
Hình 18 Mô hình anten mạch in chữ nhật Bằng mô hình này, ta tính được tần số cộng hưởng trong đó, m, n, p là số nửa bước sóng dọc theo các trục x, y, z nằm trên h, L, W của anten.
Qua việc phân tích nguyên lí hoạt động, tần số trung tâm của anten phụ thuộc vào chiều dài của tấm patch và hằng số điện môi của đế subtrate.
Tần số trung tâm được tính gần đúng theo công thức:
Do đó, sử dụng chất nên cho đế subtrate có hằng số điện môi cao giúp thu nhỏ anten nhưng cũng làm giảm băng thông.
Chiều rộng của anten kiểm soát trở kháng đầu vào và ảnh hưởng tới băng thông.W
Băng thông tỉ lệ trực tiếp với độ dày h của chất nền Tuy nhiên nếu h > 0.05 , điện cảm tìm được (cấp nguồn đồng trục) sẽ đủ lớn để việc tích hợp trở nên khó – băng thông sẽ giảm.
Băng thông tỉ lệ ngược với (một chất nền dạng bọt cho băng thông cao). r Băng thông của một anten mạch in hình chữ nhật tỉ lệ với độ rộng W của anten (nhưng ta phải giữ cho W 0.05 , điện cảm tìm được (cấp nguồn đồng trục) sẽ đủ lớn để việc tích hợp trở nên khó – băng thông sẽ giảm.
Băng thông tỉ lệ ngược với (một chất nền dạng bọt cho băng thông cao). r Băng thông của một anten mạch in hình chữ nhật tỉ lệ với độ rộng W của anten (nhưng ta phải giữ cho W 4 dBi
1.2 Thiết kế Anten mạch in mô phỏng với tấm patch hình chữ nhật, tiếp điện bằng đường dẫn vi dải (microstrip line), phối hợp trở kháng sử dụng đường chuyển tiếp 1/4 bước sóng. Đế điện môi sử dụng chất nền Neltec NH9320 với hằng số điện môi = 3.2, độ dày h = r 4mm.
Tấm patch, đường dẫn vi dải và mặt phẳng ground coi như rất mỏng, sử dụng chất liệu: đồng.
Tiếp điện bằng Lumped-port 50 Ohm.
Hình 27 Mô hình thiết kế
1.3 Tính toán thông số Chiều dài và chiều rộng có thể tính qua công thức ,W Nhóm sử dụng kết quả theo trang emtalk.com
Hình 28 Kết quả tính toán thông số patch Từ đó, Lp = 22mm, Wp = 30mm, Z = 190 OhmA
Trở kháng vào Z = 50 Ohm, từ đó xác định được trở kháng đường 1/4 bước sóng: Z =in 1
Tính toán thông số đường tiếp điện qua emtalk.com
Hình 29 Kết quả tính toán microstrip line Vậy, thông số ban đầu của bản mô phỏng:
Tấm patch: L = 22mm, W = 30mmp p Đường chuyển đổi: L = 14mm, W = 2.7mm1 1 Đường lấy nguồn: L = 14mm, W = 10mmin in
Mô phỏng
2.1 Mô hình hoáMô phỏng cấu trúc
Hình 30 Mặt trên mô phỏng
Hình 31 Mô hình mô phỏng bằng HFSS Tiếp điện (cấp nguồn) cho anten bằng 1 lumped port 50 Ohm nối từ mặt ground tới mặt trên microstrip line tại cạnh subtrate.
Hình 32 Tiếp điện cho anten
2.2 Điều chỉnh thông số Để đạt được kết quả mong muốn, các thông số được điều chỉnh Tấm patch: L = 20.7mm, W = 34mmp p Đường chuyển đổi: L = 14mm, W = 2.7mm1 1 Đường lấy nguồn: L = 14mm, W = 9mmin in
Kết quả
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
Hình 33 Kết quả |S11| tại tần số 3.5GHz Tại tần số trung tâm 3.5GHz, |S11| = -38dB
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
Hình 34 Kết quả tại |S11| < -10dBBăng thông tại |S |
