Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Hệ thống cấp nguồn Coplanar cho mảng bức xạ phẳng

Kết luận đánh giá bài báo: Từ các kết quả những bài báo, chủ yếu hướng thiết kế anten là sử dụng các công thức tính chiều dài L, và chiều rộng W sau đó bằng thực nghiệm và định tính đưa

ĐẶ T V ẤN ĐỀ

Độ ng l ự c th ự c hi ện đề tài

Ngày nay hệ thống thông tin liên lạc ngày càng phát triển, lĩnh vực thông tin di động phát triển không ngừng, trong đó các thiết bị cầm tay không dây ngày càng phổ biến, nhiều lĩnh vực, ngành nghề không ngừng đẩy mạnh việc áp dụng công nghệ để đáp ứng nhu cầu không dây phục vụ con người, thay thế những thiết bị truyền thống dây dẫn phức tạp

Trong các hệ thống viễn thông, các hệ thống thông tin wireless, hay trong y học (chẳng hạn như giám sát tình trạng sức khỏe của bệnh nhân), anten thông minh đang nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu khoa học cũng như các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ viễn thông Với những ưu điểm độc đáo như trọng lượng nhỏ, cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp, việc nghiên cứu nhằm cải thiện hơn nữa hệ thống anten thông minh đang được đẩy mạnh

Yêu cầu đối với hệ thống anten thông minh là phải có tần số cộng hưởng đúng chuẩn của hệ thống, băng thông rộng, độ lợi lớn, kích thước nhỏ, có tích hợp bộ quay pha và khả thi về công nghệ chế tạo Trong đó, phần cấp nguồn cho hệ thống bức xạ (anten) rất quan trọng Nó có thể bị ghép cảm ứng gây nhiễu hoặc do tính toán chiều dài các đường feed không chính xác nên tín hiệu truyền bị lệch pha, hậu quả là làm giảm độ lợi, các đường feed đó phải được phân bố trong 1 diện tích rất hẹp Bên cạnh đó, một trong những kỹ thuật giúp tăng băng thông là thiết kế tối ưu đường cấp nguồn feed line nối với anten được Kraus đề xuất vào năm 1988[5] Kỹ thuật này dễ dàng thực hiện đối với các patch anten

Với động lực đó, đề tài đi vào nghiên cứu đường Feed line Coplanar cấp nguồn cho hệ thống anten để dùng trong hệ thống anten thông minh

Chương 1: Đặt vấn đề 2HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng

M ụ c tiêu c ủa đề tài

Đềtài quan tâm đến việc thiết kế và chọn lựa loại anten slot và đường feed line Coplanar cấp nguồn cho hệ thống anten thông minh Sau khi thiết kế và tối ưu thành công thì có thể sử dụng cùng phương pháp để thiết kế cho tần sốcao hơn với công nghệ chế tạo hiện đại hơn. Đề tài bắt đầu thiết kế anten làm việc ở tần số 5.8GHz và sử dụng cho chuẩn băng hẹp Industrial, Scientific and Medical (ISM) ISM radio band gồm có:

- 902 - 928 MHz - 2.400 - 2.4835 GHz - 5.725 - 5.875 GHz Đề tài ban đầu chọn băng tần 5.725 - 5.875 GHz để thử nghiệm hệ thống cấp nguồn Coplanar Trong quá trình thực hiện, sẽ thiết kế ứng dụng cho băng thông rộng hơn và tần số cao hơn trong băng tầnX-band (8GHz – 12GHz).

M ộ t s ố công trình nghiên c ứ u c ấ p ngu ồ n cho h ệ th ố ng anten

Khảo sát các bài báo đã làm và đưa ra hướng tiếp cận:

 Khảo sát các bài báo:

Một sốphương pháp phân tích, thiết kếđược đưa ra trong [1], [2], [3], [4] Các anten và đường Feed line được thiết kế hoạt động ở nhiều vùng tần số khác nhau

Hình 1.3.1: Series – feed array (4 phần tử) [2], f = 2.45GHz

Hình 1.3.2: (a) Return loss (-19.38 dB) tại 2.45GHz và (b) đồ thị bức xạ tại

Hình 1.3.3: Corporate – feed array (4 phần tử) [2], f = 2.45GHz

Hình 1.3.4: (a) Return loss (-22 dB) tại f = 2.45 GHz và (b) đồ thị bức xạ

Hình 1.3.5: Corporate parallel – feed network (8 phần tử) [3], f = 5 – 6 GHz

Hình 1.3.6: 32-phần tử array anten, kết hợp Corporate và Corporate parallel feed [1]

Hình 1.3.7: 16-phần tử array anten, kết hợp Series và Corporate feed

Hình 1.3.8: Kỹ thuật cấp nguồn Coplanar cho 8-phần tử array anten trên sutrate 2 lớp conductor-backed [4]

Cùng với việc phối hợp nhiều phương pháp cấp nguồn với nhau, là sử dụng patch anten hình chữ nhật giúp dễ dàng tính toán, đồng thời thuận tiện hiệu chỉnh các kích thước của phần cấp nguồn nhằm hạn chế bị ghép cảm ứng gây nhiễu

Kết luận đánh giá bài báo:

Từ các kết quả những bài báo, chủ yếu hướng thiết kế anten là sử dụng các công thức tính chiều dài (L), và chiều rộng (W) sau đó bằng thực nghiệm và định tính đưa ra mô hình mô phỏng và chỉnh sửa để đạt được kết quả, đây cũng là cách thường dùng để thiết kế anten nói chung hiện nay, và vì vậy rất ít bài có thểđưa ra được một mô hình cụ thể và chứng minh được bằng công thức định lượng hay hướng để thiết kế cụ thể

 Phương hướng tiếp cận đưa ra: o Tập trung tính toán và mô phỏng các dạng patch anten ở tần số

5.725 - 5.875 GHz để xác định dạng patch antenna phù hợp với aray anten o Nghiên cứu sử dụng patch anten để thiết kế array anten ở tần số cao hơn thuộc băng tần X-band (8GHz – 12GHz)

Chương 1: Đặt vấn đề 7HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng o Tập trung nghiên cứu, mô phỏng các phương pháp cấp nguồn kết hợp với kỹ thuật Coplanar đặc biệt là áp dụng Conductor-Backed CPW vào thiết kế và tính toán mô phỏng array anten.

Đối tượ ng nghiên c ứ u

Đềtài đi vào nghiên cứu các đặc tính của phần tử cao tần và các kỹ thuật thiết kế antenna từđó thực hiện thi công antenna

Các phần tử cao tần:

Từ hình 1.4.1 trên ta thấy các phần tử tương ứng L là các đường vi dải trong siêu cao tần

Các phần tử điện dung tương ứng là 2 bảng tụ được ghép cùng nhau và cách nhau bởi lớp điện môi

Từ các phần tử cao tần của hình 1, 2, và 3 ta có thể tạo ra các mạch cộng hưởng như hình 1.4.4.

B ố c ụ c lu ận văn

Chương 1: Đặt vấn đềChương 2: Lý thuyết cơ bản về anten, anten vi dải và array anten

Chương 3: Các kỹ thuật cấp nguồn cho antenna Chương 4: Thành phần cấp nguồn Coplanar Waveguide Chương 5: Thiết kế và mô phỏng

Chương 6: Thi công, đo đạc và hiệu chỉnh

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 10HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten

L Ý TUY ẾT CƠ BẢ N V Ề ANTEN VÀ ARRAY ANTEN

Lý thuy ế t chung v ề anten

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 2.1.1 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 fidetới 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 nhấtvà không gây ra méo dạng tín hiệu

Hình 2.1.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [6]

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 2.1.2 làm việc ở chếđộ phát thể hiện trong hình 2.1.1 Trong đó, ngu ồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng Z C , và anten được thể hiện bởi tải Z A , trong đó Z A =(R L + R r )+jX A Trở kháng tải R L thể hiện sự suy hao do điện môi và vật dẫn, hai thành phần suy hao này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạsóng điện từ bởi anten.Điện kháng X A thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten.Ngoài sóng điện từ bức xạra khu trường xa, còn có trường điện từ dao động ở gần anten, ràng 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 công suất vô công, và được biểu thị thông qua điện kháng X A Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạR r Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các suy hao do điện môi và suy hao do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo sự suy hao do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ởđiểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 2.1.2: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [6]

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 truyềnxuất hiện các nút và bụng sóng đứng.Một mô hình sóng đ ứng điển hình được thểhiện là đường gạch đứt trong hình 2.1.2

Nếu hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếmvai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền nănglượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn.Tổng suy hao phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúcanten, sóng đứng Suy hao do đường truyền có thểđược tối thiểu hóa bằng cáchchọn các đường truyền tổn hao thấp, trong khi suy hao do anten có thể được giảm đibằng cách giảm trở kháng bức xạ 𝑅𝑅 𝐿𝐿 trong hình 2.1.2 Sóng đứng có thể được giảm đivà khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cáchphối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền.Tức là phốihợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ởđây tải chính là anten

Một phương trình tương t ự như hình 2.1.2 được sử dụng để thể hiện hệ thống anten trong chế độ thu Trong đó, nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả cácphần khác của phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ𝑅𝑅 𝑟𝑟 được sửdụng để thểhiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tựdotruyền 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 mộtvài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten cũng cần phải cóvai trò như m ột thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa, anten cũng phải có các hìnhdạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể

Công nghệ anten đã là m ột phần không thể thiếu trong các giải pháp truyềnthông Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thời gian cách đây hơn 50

Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 13HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten nămvẫncòn sử dụng ngày nay.Tuy nhiên, ngày nay các kết quả mới và những thay đổi đãđược đưa ra, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày càng lớn hơn.

2.1.2 Các tham sốcơ 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, độđịnh hướng, tần số cộng hưởng, trởkháng, băng thông, độ lợi,…

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra.Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này ràng buộc với anten, còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trongtrường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng nănglượng được cấptới anten.Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường khu xa gồm hai thành phần là điện trườngvà từtrường (Hình 2.1.2.1.1)

Hình 2.1.2.1.1: Các trường bức xạ tại khu xa [7]

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điệntừ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông quakhông gian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển.Trường khu xa là cácsóng phẳng Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên mộtdiện 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.

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồxác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng.Giản đồ bức xạnày thể hiện các đặc tính định hướng của anten Giản đồ bức xạ của anten đượcđịnh nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặctính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết cáctrường hợp, giản đồ bức xạđược xét ởtrường xa.Đặc tính bức xạ là sự phân bốnăng lượng bức xạ trong không gian hai chiều (2D) hay ba chiều (3D) Sự phânbố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kínhkhông đổi Hệ tọa độ cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ tronghình 2.1.2.2.1

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ2D.Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt củaϕ, 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

Hình 2.1.2.2.1: Hệ thống tọa độ phân tích anten [6]

 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng chỉ là một anten giảđịnh, bức xạđều theo tất cảcáchướng

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

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình2.1.2.2.2 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với�𝑓𝑓(𝜙𝜙),𝜃𝜃 = 𝜋𝜋 2 � và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với[𝑔𝑔(𝜃𝜃),𝜙𝜙 =𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐]

Hình 2.1.2.2.2: Giản đồ bức xạvô hướng của một anten [6]

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 chứavector từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướngcủa anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng vớimộttrong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z).Một ví dụ được thể hiện trong hình 2.1.2.2.3 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với 𝜙𝜙 = 0) là mặt phẳng E vàmặt phẳng x-y (với θ = 𝜋𝜋 2 ) là mặt phẳng H

Hình 2.1.2.2.3: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [6]

Anten vi d ả i

trở kháng suy hao (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số Do đó, antenchỉ 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 củaanten, phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng baoquanh nó Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tếđược nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ Với các loại anten khác, trở kháng vào đượcxác định bằng thực nghiệm

Deschamps là người đầu tiên đưa ra khái niệm anten vi dải vào năm1953, Gutton và Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên, mãi t ới tận năm 1972 ngườita mới đi vào chế tạo các anten vi dải, bởi vì thời điểm này mới xuất hiện chất nền có các đặc tính tốt, đảm bảo các yêu cầu đặt ra

Trong hình 2.2.1.1, anten vi dải với cấu hình đơn giản nhất bao gồm một patch phát xạ nằm trên một mặt của chất nền điện môi (e r ≤10 R ), 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

Hình 2.2.1.1: Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất

Hằng sốđiện 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 Ưu điểm của anten vi dải

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

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

 Dễ dàng được gắn lên các đối tượng khác.

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

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

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

Nhược điểm của anten vi dải

 Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%).

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

 Giới hạn độ độ lợi cực đại (~ 20 dB).

 Hiệu suất bức xạ kém.

 Xuất hiện các sóng mặt

 Công suất cho phép thấp.

2.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản

2.2.2.1 Anten patch vi d ả i (Microtrip Patch Antenna)

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 tếđược chỉ ra trong hình 2.2.2.1.1

Hình 2.2.2.1.1: Các dạng patch anten vi dải

2.2.2.2 Anten dipole vi d ả i (Microstrip or Printed Dipole Antenna)

Hình 2.2.2.2.1: Một vài dipole mạch in và vi dải

2.2.2.3 Anten khe m ạ ch in (Microstrip or Printed Dipole Antenna)

Các anten khe mạch in (printed slot antenna) có một khe được cắt trên mặt kim loại Khe này có thể có bất kỳ hình dạng nào Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của patch vi dải mà được chỉ ra trong hình 2.2.2.1.1 có thể được thực hiện lại trong dạng của một khe mạch in

Hình 2.2.2.3.1: Anten khe mạch in với các cấu trúc tiếp điện

2.2.2.4 Anten sóng ch ạ y vi d ả i (microstrip traveling-wave antenna, MTA)

Anten sóng chạy vi dải 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 (hình 2.2.2.3.1) Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện

Hình 2.2.2.4.1: Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in

2.2.2.5 Anten patch hình ch ữ nh ậ t Đây là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện phẳng bên trên một mặt phẳng đất Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục, bằng ống dẫn sóng hoặc đường truyền vi dải Phần tiếp điện đưa năng lượng điện từ vào và/hoặc ra khỏi patch Hình dư ới đây thể hiện phân bố điện trường của anten patch hình chữ nhật được kích thích ởmode cơ bản

Trên hình 2.2.2.5.1a, 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) Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hốc cộng hưởng là mode TM10

Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn TM tượng trưng cho phân bố từ trường ngang Điều này có nghĩa r ằng chỉ có ba thành phần, đó là: điện trường theo hướng z, từtrường theo hướng x và y trong hệ tọa độĐềcác 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 như không đáng kể Do đó, kí hiệu

TMnm chỉ ra sự biến đổi của trường theo hướng x và y Sự biến đổi của trường theo hướng y hầu như không đáng kể, do đó m bằng 0 Trường biến đổi chủ yếutheo hướng x, do đó ởmode cơ bản thì n = 1

Hình 2.2.2.5.1a và hình 2.2.2.5.1b thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên patch, dòng đ ạt 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 Từbiên độ của dòng và áp, ta có

Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 38HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten thể tìm được trở kháng (trong hình 2.2.2.5.1c) Trở kháng đạt cực tiểu ở giữa patch và cực đại ở gần2 cạnh Có một điểm nằm ở đâu đó dọc theo trục x, tại đó trở kháng là 50Ω, ta có thểđặt điểm tiếp điện tại đó.

Hình 2.2.2.5.1: Anten patch hình chữ nhật a) Phân bốtrường ở mode cơ bản b) Phân bố dòng trên bề mặt patch c) Phân bốđiện áp (U), dòng (I) và trở kháng (|Z|) theo chiều dài patch

Array anten

Array anten là các hệ thống có sắp xếp các anten bao gồm nhiều anten thành phần giống nhau nhưng được sắp xếp trong không gian và được kích thích so với nhau để tạo ra một đồ thịđịnh hướng cụ thể [8]

Anten bao gồm N phần tử được đánh số từ 0 ÷ (N-1) Tất cả các phần tử là giống nhau về vật lý, nhưng định vị tại các vị trí khác nhau và được kích thích có thể khác nhau vềbiên độ hay pha

2.3.2 Hệ thống bức xạ gồm 2 phần tử

Xét 2 dipole giống nhau, chiều dài l, đặt cách nhau một khoảng d như hình 2.3.2.1

Hình 2.3.2.1: Hệ thống sắp xếp 2 phần tử dọc trục z Dòng điện kích thích 2 anten lệch nhau một góc β

Trường tổng hợp tại M là:

Hình 2.3.2.2: Hệ thống sắp xếp 2 phần tử dọc trục z khi xét ởtrường xa

2(𝑘𝑘.𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃+𝛽𝛽)� (2.43) Hệ số sắp xếp chuẩn hóa

2(𝑘𝑘.𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃+𝛽𝛽)� (2.44) Vậy, trường sinh ra từ một hệ gồm nhiều phần tử là:

2.3.3 Hệ thống bức xạ gồm N phần tử

Xét N phần tử anten giống nhau, đặt trên một trục thẳng cách nhau một khoảng d Dòng kích thích các phần tửcó biên độ giống nhau, các phần tử liên tiếp nhau lệch pha nhau một góc βnhư hình 2.3.3.1

Hệ số sắp xếp trong hệ thống này:

Hình 2.3.3.1: Hệ thống sắp xếp N phần tử dọc trục z Khi dịch chuyển điểm gốc đến giữa dãy

� 1 2 𝜓𝜓� � (2.57) Từ(2.56) xác định các điểm null của hệ số sắp xếp này:

Từ(2.56) xác định các điểm cực đại của hệ số sắp xếp xảy ra khi:

Hình 2.3.3.2: Hệ số sắp xếp chuẩn hóa cho các N khác nhau

 Cực đại xuất hiện tại ψ = 0

 Hàm AF có chu kỳ tuần hoàn là 2π

 Có N-1 điểm null cách đều nhau một khoảng cách: 2π/N

 Có N-2 búp sóng con trong khoảng 0≤ ψ ≤ 2π

 Khi N tăng, biên độ các búp sóng con tiệm cận đến -13.3dB [8]

Hình 2.3.3.3 : Xây dựng đồ thị sắp xếp cho N=4, k 0

Hệ thống Broadside là hệ thống có chum bức xạ chính vuông góc trục của hệ thống [8] Theo hình 2.3.4.1, búp sóng chính vuông góc với trục của hệ thống (trục z)

Cực đại của AF xảy ra khi:

𝜓𝜓 =𝑘𝑘𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃+𝛽𝛽 = 0 (2.61) Để chiều cực đại theo hướng 𝜃𝜃 = 𝜋𝜋 2

Hình 2.3.4.2: Hệ số sắp xếp cho các hệ thống sắp xếp broadside khi d không đổi và tăng N

Nhận xét: Từ hình 2.3.4.2 ta thấy, khi d không đổi, N tăng: độ rộng búp sóng chính giảm và số búp phụtăng

Hình 2.3.4.3: Hệ số sắp xếp cho các hệ thống sắp xếp broadside khi N không đổi và tăng d

Nhận xét: Từ hình 2.3.4.3 ta thấy, khi N không đổi, d tăng: độ rộng búp sóng chính giảm và số búp phụtăng

Hình 2.3.4.4: Hệ số sắp xếp cho các hệ thống sắp xếp broadside khi N không đổi và tăng d ≥ 𝜆𝜆

Nhận xét: Từ hình 2.3.4.4 ta thấy, khi N không đổi, d tăng sao cho d ≥ 𝜆𝜆:búp phụcó biên độ bằng búp chính xuất hiện

Các hệ thống sắp xếp hoạt động chế độ Endfine tạo ra một bức xạ “bút chì” đơn dọc trục hệ thống Chú ý rằng sự xây dựng của hệ thống sắp xếp endfine sẽ bắn chum tia chính theo chiều +z

Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 50HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Để chiều cực đại theo hướng θ= 0

⇒ 𝑘𝑘𝑘𝑘+𝛽𝛽 = 0⇒ 𝛽𝛽 =−𝑘𝑘𝑘𝑘 (𝑒𝑒𝑐𝑐𝑘𝑘𝑓𝑓𝑈𝑈𝑟𝑟𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑐𝑐ạ𝑈𝑈 1) (2.64) Để chiều cực đại theo hướng θ=π

Hình 2.3.5.1: Xây dựng hệ số sắp xếp cho hệ thống bức xạ với N = 7 và thay đổi d

𝑁𝑁� (2.67) Điều kiện để mức bức xạ phụ nhỏhơn mức bức xạ chính: β

Tiêu đề	Hệ thống cấp nguồn Coplanar cho mảng bức xạ phẳng
Tác giả	Phạm Lê Nhân Hoàng
Người hướng dẫn	Phan Hồng Phương
Trường học	Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện Tử
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	123
Dung lượng	2,44 MB