Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế hệ thống Anten vòng cho ứng dụng WLAN 2.4GHz

UA, IA Điện áp và dòng điện đặt vào anten ZA Trở kháng vào của anten IAe Dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten D Độ định hướng directivity D0 Độ định hướng cực đại maximum directivity

GIỚI THIỆU

Lịch sử giải quyết vấn đề

Anten vi dải là loại anten được đề xuất đầu tiên bởi G A Deschamps vào năm 1953, sau đó nhanh chóng được phát triển điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten phân cực kép ở tần số 2,4 GHz và 5 GHz, Dau-Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hiệu suất cao… Cùng với các loại anten khác thì anten vi dải phân cực kép được xem là một trong các giải pháp để làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath fading) và đặc biệt phù hợp khi không gian có hạn vì có thể phát dữ liệu trên một phân cực và thu anten trên một phân cực khác một cách đồng thời Do đó có nhiều bài báo giới thiệu về các loại anten phân cực kép đã được công bố trong thời gian qua điển hình như: Saou-Wen Su, Cheng-Tse Lee thiết kế anten vòng phân cực kép với hai vòng cộng hưởng ở hai tần số khác nhau, Saou-Wen Su với anten phân cực kép sử dụng vòng vuông có phần điều chỉnh phân cực Từ lịch sử phát triển nên tác giả chọn đề tài thiết kế một anten phân cực kép, có độ lợi cao, băng thông tương đối rộng, tiếp điện bằng cáp đồng trục với ba ngõ vào ứng dụng cho hệ thống WLAN dải tần 2.4 GHz làm mục tiêu nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng của đề tài là thiết kế, mô phỏng ba anten vi dải dạng vòng lưỡng cực có ba port in trên chất nền FR4 tròn hoạt động ở dải tần 2.4 GHz Ba anten vi dải này sắp xếp xoay vòng trên bề mặt với một góc nghiêng bằng 120 o để tạo thành một cấu trúc đối xứng sử dụng trong hệ thống MIMO WLAN Các anten này cùng chia sẻ dẫn nạp và nối đất chung thông qua một đoạn cáp đồng trục nhỏ (Mini- coaxial) Sau quá trình mô phỏng là quá trình thi công, đo đạc và đánh giá kết quả

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, đặc tính phân cực kép của các anten vi dải Tìm hiểu phần mềm Ansoft HFSS, tiến hành thiết kế cấu trúc, sau đó mô phỏng để tối ưu các kích thước Cuối cùng tiến hành thiết kế một anten thực tế có ba port với mặt phản xạ bằng nhôm và hoạt động ở dải tần 2.4 GHz

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu và hướng giải quyết Đề tài tập trung vào lĩnh vực thiết kế anten nên điều quan trọng trước hết là cần nắm rõ các kiến thức về trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật anten truyền sóng… nghiên cứu về các thông số cơ bản của anten, tìm hiểu anten vi dải, các đặc tính của anten vi dải, cũng như cách tính toán các thông số cho anten Xác định rõ các thông số kỹ thuật của tấm mạch in chế tạo anten cũng là điều rất quan trọng

Tìm hiểu chương trình mô phỏng Ansoft HFSS 13.0.2, cách khởi tạo các vật thể trong HFSS, cách đặt các thông số để mô phỏng và xem kết quả Sau đó tiến hành thiết kế cấu trúc anten 3D và mô phỏng trên phần mềm, trong quá trình mô phỏng cần thống kê các kết quả mô phỏng, xem xét sự thay đổi các thông số của anten, ảnh hưởng qua lại của việc điều chỉnh kích thước anten với kết quả mô phỏng để tiện cho việc điều chỉnh sau này

Tiến hành thiết kế anten thực tế khi thấy các kết quả mô phỏng đạt yêu cầu Dùng máy đo chuyên dụng để đo đạc anten thực tế từ đó so sánh với kết quả mô phỏng Xem xét và điều chỉnh anten sao cho thỏa mãn và phù hợp các yêu cầu trong thực tế Bước cuối cùng là hoàn chỉnh anten và đem ứng dụng vào thực tế.

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN

Giới thiệu chung về anten

Thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ 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 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 feeder Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder tới 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 thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo feeder tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy, anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện, đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc

Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp [1] Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:

 Anten đường (Wire Antennas): là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi nơi như ô tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, Nó gồm anten đường thẳng (anten lưỡng cực), anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix) Trong đó anten vòng không những có dạng tròn mà còn ở dạng vuông, chữ nhật, ellip, nhưng anten vòng tròn thì được sử dụng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản

 Anten góc mở (Aperture Antennas): nó có dạng như hình nón, hình kim tự tháp hay ống dẫn sóng Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trước đây vì nhu cầu hình thức anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn Loại anten này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ

 Anten vi dải (Microstrip Antennas): anten này gồm một miếng kim loại mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi Miếng kim loại có thể có nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn, Anten này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm tay,

 Anten dãy (Array Antennas): nhiều ứng dụng đòi hỏi các đặc tính bức xạ mà không thể đạt được ở một anten duy nhất Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc tính bức xạ của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả mong muốn

 Anten phản xạ (Reflector Antennas): do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng cách lớn, hình thức anten tinh vi đã được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi hàng triệu dặm Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc

 Anten ống kính (Lens Antennas): ống kính được sử dụng chủ yếu để chuẩn trực năng lượng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hướng không mong muốn Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lượng khác nhau vào sóng mặt Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hướng (Omni-Directional) và anten định hướng (Directional) Anten vô hướng là anten truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hướng theo trục ngang (song song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng

D mô tả kiểu bức xạ

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

Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [1]

Hệ phương trình Maxwell

Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học đó là các phương trình Maxwell

Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn quy luật sin  t , cos  t dưới dạng phức e i  t

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng: rotH i p E J e

E là biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m)

H là biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m)

(hệ số điện thẩm phức của môi trường) ε : hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m) μ : hệ số từ thẩm của môi trường (H/m) σ : điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

J e : là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( 2 m

 e : là mật độ khối của điện tích ( 3 m

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên

Hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết lại như sau: e p E J i H rot    (2.4a)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H Trong phương trình nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền.

Đặc tính bức xạ điện từ của anten

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định Để hiểu rõ hơn về đặc tính bức xạ điện từ của anten ta xét ví dụ sau: một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện 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 buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm

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

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

Đặc tính của đường dây truy ền sóng

Để thiết kế một thiết bị siêu cao tần, việc đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt nhất, chúng ta cần phải hiểu rõ các thông số đặc tính của đường dây truyền sóng

Bước sóng là khoảng cách sóng vô tuyến truyền đi trong một chu kì Công thức tính bước sóng theo tần số: f eff c f v

Trong đó: λ: bước sóng [m] f : tần số tín hiệu [Hz]

: hằng số điện môi hiệu dụng v : vận tốc truyền sóng [m/s] c = 3.10 8 m/s (chính xác c = 299.792.458 m/s) vận tốc truyền sóng trong không gian hay vận tốc ánh sáng

Xét một tần số nào đó thì vận tốc truyền sóng trong các môi trường khác sẽ nhỏ hơn vận tốc truyền sóng trong không gian Do hằng số điện môi của các môi trường khác thường lớn hơn hằng số điện môi của môi trường chân không vì thế bước sóng sẽ ngắn hơn Điều này tạo một lợi thế cho việc chế tạo các anten trên mạch in Ví dụ: xét tần số WLAN là 2.4 GHz thì bước sóng trong không khí λ0 ≈

125 mm, bước sóng trên tấm mạch in FR-4 λ là khoảng 66 mm

2.4.2 Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance)

Trở kháng đặc tính Z0 là tỉ số điện áp và dòng điện tại các điểm cách đều nhau dọc theo đường truyền t

Hình 2.2: Mô hình đường truyền sóng Trong trường hợp tổng quát, Z0 là một đại lượng phức, biến đổi theo tần số và phụ thuộc vào cấu trúc đường truyền Nhưng phần lớn các đường dây truyền sóng được giả sử có trở kháng đặc tính Z0 = R 0 là một hằng số thực Ta thường gặp các đường dây truyền sóng có trở kháng R0 = 50Ω, R0 = 75Ω, R0 = 300Ω hoặc R0 600Ω

Phối hợp trở kháng là cách để truyền tải tối đa công suất từ nguồn tới tải Đường dây được phối hợp trở kháng khi trở kháng tải Z L bằng với trở kháng đặc tính của đường dây Z 0 , ngược lại khi Z L ≠ Z 0 đường dây bị mất phối hợp trở kháng

Giá trị giữa Z L và Z 0 càng khác xa nhau thì sự mất phối hợp trở kháng càng lớn Để truyền tín hiệu có hiệu quả thì trở kháng của anten và trở kháng của cáp truyền dẫn phải giống nhau Thông thường sử dụng cho WLAN, người ta thiết kế trở kháng có giá trị là 50Ω

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm bất kỳ trên đường dây truyền sóng là tỷ số giữa sóng điện áp phản xạ với sóng điện áp tới tại điểm đó Hệ số phản xạ điện áp cũng bằng với hệ số phản xạ dòng điện i r i r

Trong đó: Γ: hệ số phản xạ

V r và I r : điện thế và dòng điện sóng phản xạ

V i và I i : điện thế và dòng điện sóng tới

Ngoài ra, hệ số phản xạ còn được tính dựa vào trở kháng tải ZL và trở kháng đặc tính của đường dây Z0

2.4.5 Hiện tượng sóng đứng và tỷ số sóng đứng

Hiện tượng sóng đứng (Standing wave): khi sóng truyền trên một đường truyền mà tải không phối hợp trở kháng, sẽ có sóng phản xạ từ tải về nguồn Với nguồn tín hiệu hình sin với một tần số cố định, sóng tới và sóng phản xạ sẽ có hiện tượng giao thoa Tại điểm tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ đồng pha, biên độ sóng tổng hợp bằng tổng biên độ 2 thành phần, nó đạt giá trị cực đại và ta gọi nó là điểm bụng sóng Tại điểm tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ ngược pha, biên độ sóng tổng hợp bằng hiệu biên độ 2 thành phần, nó đạt giá trị cực tiểu và ta gọi nó là điểm nút

Tỷ số sóng đứng điện áp VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) thường gọi tắt là tỉ số sóng đứng SWR (Standing Wave Ratio) là tỉ số giữa biên độ cực đại và biên độ cực tiểu của điện áp tổng hoặc dòng điện tổng Tỉ số sóng đứng thường được định nghĩa cho đường truyền không tổn hao Khi đó các giá trị biên độ Vmax,

V min , I max , I min có giá trị không đổi trên suốt chiều dài của đường dây

2.4.6 Tổn hao phản xạ (Return loss)

Tổn hao phản xạ là một cách khác để biểu diễn cho sự mất phối hợp trở kháng Nó được dùng để so sánh công suất phản xạ từ anten với công suất của máy phát Công thức xác định tổn hao phản xạ: r i

P dB P loss turn ( ) 20 log 10 10 log 10

Các thông số đặc trưng của anten

2.5.1 Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten Z A bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp U A đặt vào anten và dòng điện I A trong anten

Hình 2.3: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1]

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten

Thành phần thực của điện trở vào R A được xác định bởi công suất đặt vào anten P A và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten I Ae

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

2.5.2 Hệ số định hướng và độ tăng ích

Bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đẳng hướng (Isotropic) Độ định hướng của anten được định nghĩa như là tỉ số của của cường độ bức xạ ở một hướng cho trước trên cường độ bức xạ trung bình ở mọi hướng Trong trường hợp không đề cập đến hướng cụ thể thì được hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực đại

Trong đó: D: độ định hướng (directivity)

D 0 : độ định hướng cực đại (maximum directivity)

U: cường độ bức xạ (radiation intensity) [W/Sr]

U max : cường độ bức xạ cực đại (maximum radiation intensity) [W/Sr]

U 0 : cường độ bức xạ của anten isotropic [W/Sr]

P rad : tổng công suất bức xạ [W]

 Độ tăng ích (Độ lợi) Độ lợi của anten G là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đẳng hướng (isotropic)

Nếu anten không tổn hao, P in = P rad thì G(,)D(,)

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa dây truyền sóng và anten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên anten (do điện môi, sai phân cực), công suất bức xạ (P rad ) của anten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (P in ): in rad P

P  Vì vậy trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng Để biểu diễn mối quan hệ giữa P in và P rad người ta dùng khái niệm hiệu suất bức xạ Kí hiệu e in rad

=> G(,)eD(,) (2.17) Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi là dBi (độ lợi của anten định hướng) hay dBd (độ lợi của anten half wave dipole) Để chuyển đổi từ dBd sang dBi ta chỉ cần cộng thêm 2.2 vào dBd để được dBi

2.5.3 Giản đồ bức xạ (Radiation pattern)

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian hai chiều (2D) hay ba chiều (3D) Sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong Hình 2.4

Hình 2.4: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]

 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng 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 Hình 2.5 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với   

 f và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với  g    ,  const 

Hình 2.5: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [1]

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 chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ được thể hiện trong Hình 2.6 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với 0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π/2 ) là mặt phẳng H

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [1]

 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra Búp sóng dọc được đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao

Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10 dB so với giá trị cực đại Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 2.7a minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy Hình 2.7.a thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của Hình 2.7.b)

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten [1]

(b) Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó [1]

Hình 2.7: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính): Được định nghĩa là thùy chứa hướng bức xạ cực đại Trong Hình 2.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ = 0 Có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính

Thùy phụ: là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính Thông thường, thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính

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

Bảng 2.1: Quy ước về các dải tần số

Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng

3Hz -3 KHz Very low Frequency

Dùng cho hệ thống an ninh, quân sự, chuyên dụng, thông tin dưới nước (tàu ngầm)

30-300 KHz Low Frequency (LF) Dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

300-3000 KHz Medium Frequency (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, tìm kiếm 3-30 MHz High Frequency (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không 30-300 MHz Very High Frequency

TV, phát thanh FM, điều khiển giao thông, cảnh sát, taxi

Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar

Hàng không, vi ba, thông tin di động

Radar, nghiên cứu khoa học

ANTEN VI DẢI

Giới thiệu

Anten Microstrip nhận được sự chú ý đáng kể bắt đầu từ những năm 1970, mặc dù ý tưởng của anten microstrip có thể được bắt đầu từ năm 1953 và bằng sáng chế vào năm 1955 Các anten vi dải trong thực tế được phát triển cho việc sử dụng ở tần số từ 400 MHz tới 38 GHz và nó có thể kỳ vọng các kĩ thuật tiên tiến để mở rộng đến 60 GHz

Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành thấp, và đặc biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten vi dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh, trong các ứng dụng hiệu năng cao như máy bay, tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa… trong đó kích cỡ, trọng lượng, giá cả, là những điều ràng buộc thì một anten low profile được yêu cầu Để đáp ứng nhu cầu này, anten vi dải (microstrip antenna) có thể được sử dụng Hiện nay, có nhiều lĩnh vực đã ứng dụng kĩ thuật anten vi dải như thông tin di động và truyền thông không dây (wireless communication) Các anten low profile, phù hợp với các bề mặt phẳng và không phẳng, đơn giản và rẻ tiền để sản xuất bằng cách sử dụng công nghệ mạch in, khả năng tương thích cao với các thiết kế MMIC (Monolithic microwave integrated circuit) Khi các hình dạng anten cũng như loại anten được chọn thì cần linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực, đồ thị bức xạ và trở kháng của anten v.v… Ngoài ra, với kỹ thuật ngày càng hiện đại, người ta có thể thêm các tải vào giữa tấm tấm bức xạ và mặt phẳng đất (ground plane) như các chip điện trở, diode chỉnh lưu, diode điện dung… làm cho anten hoạt động với tần số cộng hưởng, trở kháng, phân cực và đồ thị bức xạ theo chủ ý của người thiết kế Bên cạnh những thuận lợi anten microstrip tồn tại một số bất lợi như hiệu năng thấp, công suất nhỏ, độ tinh khiết phân cực thấp, hiệu suất quét thấp, bức xạ nhiễu của đường tiếp tín hiệu và băng tần rất hẹp (thường là một phần nhỏ của một phần trăm hoặc nhiều nhất là vài phần trăm) Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như trong các hệ thống an ninh, băng thông hẹp cũng là điều cần thiết Bên cạnh đó thì cũng có những phương pháp như chọn loại vật liệu nền có hằng số điện môi thích hợp, tăng chiều cao của lớp nền, có thể sử dụng để cải thiện phần nào hiệu suất và băng thông của anten.

Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển

Ưu và nhược điểm của anten vi dải Ưu điểm:

- Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất

- Có thể phân cực tuyến tính và phân cực tròn

- Công nghệ chế tạo hoàn toàn phù hợp với các mạch tích hợp cao tần

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

- Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp

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

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

- Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp

Mặc dù còn một số nhược điểm những so với các loại anten khác thì anten vi dải vẫn có nhiều điểm mạnh hơn và phù hợp hơn khi sử dụng trong các hệ thống WLAN, chúng có thể được thay đổi và điều chỉnh để cho ra đời những anten với băng thông rộng và độ lợi cao hơn Đồng thời có thể điều khiển được búp sóng (anten thông minh) trong các hệ thống WLAN và các ứng dụng khác.

Cấu tạo

Anten Microstrip như trong Hình 3.1, bao gồm một dải bằng kim loại rất mỏng (t