Báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng Đề tài anten mạch in microstrip patch antenna

LỜI MỞ ĐẦU Anten mạch in Microstrip patch antenna là một trong những anten công nghệ anten mới nhất và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong vùng tần số vi sóng vì tính đơn giản và k

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

**********

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài ANTEN MẠCH IN MICROSTRIP PATCH ANTENNA

Nhóm sinh viên thực hiện:

Hình 5 Mạch tương đương cho các cách cấp nguồn 9

Hình 6 Cấp nguồn bằng Microstrip line 9

Hình 7 Cấp nguồn bằng Coaxial probe 10

Hình 8 Cấp nguồn bằng Aperture-coupling 11

Hình 9 Cấp nguồn bằng Proximity coupling 12

Hình 11 Mảng anten cho một máy thu truyền hình vệ tinh 13

Hình 12 Minh họa Fringing Effects 14

Hình 13 Hằng số điện môi hiệu dụng 15

Hình 14 Minh họa chiều dài hiệu dụng 16

Hình 15 Anten mạch in chữ nhật và mô hình transmission-line tương đương 16

Hình 16 Inset feed matching techniques 17

Hình 17 λ∕4 impedance transformer matching techniques 18

Hình 18 Mô hình anten mạch in chữ nhật 19

Hình 19 Ảnh hưởng của vị trí cấp nguồn tới điện trở đầu vào 21

Hình 20 Đồ thị bức xạ 3D and 2D và |S11| anten chữ nhật 22

Hình 21 Anten mạch in mảng thực tế 24

Hình 23 Cấp nguồn anten phân cực tròn 25

Hình 24 Cấu tạo patch anten hoạt động nhiều tần số 26

Hình 31 Kết quả |S11| tại tần số 3.5GHz 31

Hình 32 Kết quả tại |S11| < -10dB 32

Hình 33 Mô hình 3D và kết quả Realized Gain 32

LỜI MỞ ĐẦU

Anten mạch in (Microstrip patch antenna) là một trong những anten công nghệ anten mới

nhất và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay 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 dàng sản xuất dưới dạng

các phần tử độc lập hoặc các phần tử của mảng Ở dạng đơn giản nhất, anten mạch in bao gồm

một miếng kim loại, thường là hình chữ nhật hoặc hình tròn (mặc dù đôi khi các hình dạng

khác cũng được sử dụng) trên một đế được nối đất

Hình 1 Anten mạch in

I GIỚI THIỆU

1 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

Hình 2 Anten mạch in thực tế

2 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 λ0 - được đặt trên mặt phẳngđất

(ground plane) và cách mặt phẳng đất độ dày h rất nhỏ so với λ0 (thông thường 0.003λ0 ≤ h ≤

0.05λ0) Đối với tấm patch hình chữ nhật, chiều dài L thường nằm trong khoảng λ0/3 < L <

λ0/2; chiều rộng W thường lớn hơn L để đạt được băng thông rộng hơn Nhưng thông thường

W = 1.5L

Hình 3 Cấu tạo anten

b Anten đơn lẻ b Anten mảng

Miếng vi dải patch và mặt ground được ngăn cách bởi một tấm điện môi (được gọi là

chất nền – substrate) Có rất nhiều loại chất nền khác nhau có thể được sử dụng trong thiết kế

anten mạch in với hằng 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 kỳ hình dạng nào khác tùy 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

3 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 (substrate),

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 > 0.02λ0) đòi hỏi cáp dài hơn, độ tự cảm của cáp tăng làm giảm băng thông, tạo ra bức xạ

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-coupling

Cả 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

• 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

Hình 10 Đồ thị bức xạ mẫu

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

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Có nhiều phương pháp giúp ta phân tích các nguyên lí của anten mạch in, trong đó phổ

biến nhất là mô hình đường truyền (transmission-line model), mô hình Cavity (cavity model),

mô hình full-wave (full-wave model)

Mô hình đường truyền là dễ hơn cả, nó mang lại cái nhìn sâu sắc về vật lý, nhưng kém

chính xác hơn và khó mô hình hoá những ghép nối So với mô hình đường truyền, mô hình

cavity chính xác hơn nhưng đồng thời cũng phức tạp hơn Tuy nhiên, nó cũng mang lại cái nhìn

sâu sắc về vật lý và khá khó khăn để mô hình hoá những ghép nối, mặc dù nó đã được sử dụng

thành công Nói chung, khi được áp dụng đúng cách, mô hình full-wave rất chính xác, linh hoạt

và có thể xử lý các phần tử đơn lẻ, mảng hữu hạn và vô hạn, phần tử xếp chồng lên nhau, phần

tử có hình dạng tùy ý và các ghép nối Tuy nhiên, nó là loại mô hình phức tạp nhất và thường

cung cấp ít thông tin chi tiết về vật lý hơn

Ở đây nguyên lý hoạt động cơ bản được minh họa dựa trên một anten mạch in hình chữ

nhật, nhưng nó áp dụng giống cho các anten mạch in hình khác

1 Transmission-Line model

Mô hình transmission-line, về cơ bản, nó mô hình anten thành 2 khe cách nhau bởi một

đường truyền có trở kháng Zc nhỏ và độ dài L

1.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects)

Vì kích thước của tấm patch là hữu hạn nên các trường ở các cạnh của nó trải qua hiệu

ứng viền – fringing effects

Hình 12 Minh họa Fringing Effects

Số lượng viền là một hàm của kích thước (W, L) của miếng patch và chiều cao h của

chất nền Đối với viền chính của mặt E (mặt phẳng xy), nó là một hàm của tỷ lệ giữa chiều

dài L tấm patch với chiều cao h của chất nền (L/h) và hằng số điện môi r của chất nền Đối với

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

14

anten có L/h ≫ 1, hiệu ứng bị giảm; tuy nhiên, nó ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của

anten

Hiệu ứng sinh ra do sự không đồng nhất của hai chất điện môi, ở đây là subtrate và

không khí Có thể thấy, hầu hết các đường sức điện trường đều nằm trong subtrate (do W∕h

≫ 1 và r ≫ 1) và một phần của một số đường sức tồn tại trong không khí Hiệu ứng trong

trường hợp này làm cho tấm trông rộng hơn về mặt điện học so với kích thước vật lý của nó

Vì một số sóng truyền trong substrate và một số truyền trong không khí, hằng số điện môi

hiệu dụng reff được đưa vào để giải thích cho hiện tượng viền và sự truyền sóng trong đường

dây

Hằng số điện môi hiệu dụng được định nghĩa là hằng số điện môi của một chất điện môi

đồng nhất để đường truyền đặt trong chất đó (minh họa hình 12) có các đặc tính về điện, đặc

biệt là hằng số lan truyền giống hệt với đường truyền đó đặt trong thực tế anten mạch in

Hình 13 Hằng số điện môi hiệu dụng

Công thức của hằng số điện môi hiệu dụng:

1.2 Chiều dài, chiều rộng hiệu dụng, tần số cộng hưởng

Do hiệu ứng viền, về mặt điện, tấm patch của anten mạch in trông lớn hơn kích thước

vật lý của nó Đối với mặt E (mặt phẳng xy), kích thước của patch dọc theo chiều dài của nó

đã được kéo dài ở mỗi đầu một khoảng ΔL, là hàm reff và tỷ lệ W/h

Do đó, chiều dài hiệu dụng của patch được tính:

Leff = L + 2ΔL

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

Hình 14 Minh họa chiều dài hiệu dụng

1.3 Trở kháng đầu vào cộng hưởng

Mỗi 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, Rin, cho tấm patch cộng hưởng

1.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

16

nguồn bên trong – inset feed, đặt sâu một khoảng y0 so với khe thứ nhất

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 y0

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 Rin trong hình là trở kháng tại đầu vào cạnh của miếng vi dải cộng hưởng, nó

là một số thực

Mục tiêu là khớp trở kháng đầu vào (Zc) với đường truyền (Z1)

2 Cavity model

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

ANTEN MẠCH IN (MICROSTRIP PATCH ANTENNA)

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 phụ thuộc vào m, n, p là số nửa bước

sóng dọc theo các trục x, y, z nằm trên h, L, W của anten