Anten mạch dải mirco trip

Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten MỤC LỤC I.Mở đầu 2 II. Nội dung 3 1,Giới thiệu 3 2,Cấu trúc và phân loại 3 3,Đặc tính bức xạ của anten mạch dải 7 4,Đặc điểm của anten mạch dải 10 5,Hệ anten mạch dải 11 III.Tài liệu tham khảo 13 1 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten I.Mở đầu: Công nghệ băng thông siêu rộng đang được xem như một công nghệ không dây của tương lai với ưu điểm nổi trội cho phép truyền tốc độ dữ liệu cao cũng như giảm thiểu được tác động của hiện tượng đa đường so với các công nghệ xuất hiện trước nó. Anten mạch dải được sử dụng trong các hệ thống vô tuyến trong nhà tốc độ cao, các hệ thống không dây đòi hỏi tiêu tốn năng lượng cực ít, mạng vô tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network), mạng vô tuyến nội hạt (WLAN) cỡ nhỏ, hệ thống Rada dò tìm, định vị trong quân sự… Anten mạch dải cho phép truyền và thu nhận các xung dạng cơ bản được nén trong miền thời gian khác với việc truyền và thu nhận các sóng hình sin liên tục được nén trong miền tần số như trong các hệ thống thu phát truyền thống. Điểm quan trọng nhất trong thiết kế anten mạch dải là việc anten phải đạt được một băng thông rộng, trong khi vẫn phải duy trì được hiệu suất bức xạ cao trên toàn băng. Một anten mạch dải (anten vi dải) phải có khả năng hoạt động trên cả dải tần 3,1-10,6GHz. Một thông số quan trọng khác của các anten mạch dải là độ trễ nhóm (group delay). Đồ thị bức xạ và hiệu suất bức xạ là những đặc tính quan trọng được xem xét khi thiết kế anten. Đồ thị bức xạ đẳng hướng là một tiêu chí thiết kế mong muốn, có thể cho phép đặt vị trí máy thu và phát ở các vị trí không cố định. Trong khuôn khổ bài tập lớn này chúng ta sẽ đi phân tích, tìm hiểu về anten mạch dải hay còn gọi là anten mạch in hay anten vi dải 2 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten II.Nội dung 1.Khái quát: Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước nhỏ, dải tần rộng thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Điểm mạnh của loại anten này là cấu trúc ổn định, và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng. Ngoài ra anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten, cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh 2.Cấu trúc và phân loại anten mạch dải. Anten mạch dải thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe Về cấu tạo, anten vi dải gồm các phần chính là bản mặt kim loại rất mỏng (bề dày t<<λ 0 , với λ 0 -bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất nhỏ (thường 0,003λ 0 < h <0,05λ 0 ),lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Anten mạch dải hình chữ nhật tương đương với hai khe bức xạ song song với chiều dài của mỗi khe là w, đặt cách nhau một khoảng L, mỗi khe bức xạ được coi như một dipol từ 3 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten Radiating slot 1: khe bức xạ 1 Radiating slot 2: khe bức xạ 2 Substrate: đế có hằng số điện môi ε r Ground plane: mặt phẳng đất Hình 1. Cấu trúc của anten mạch dải Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau. Có 4 dạng cơ bản anten mạch dải .  Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn điện ở trên một phía của tấm điện môi. Tấm dẫn điện có thể là hình vuông(square), hình chữ nhật (rectangular), hình tròn (circular), hình elip (elliptical), hay hình tam giác (triangular), hình vòng nhẫn (circular ring)… Hình 2. Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm. 4 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten  Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điện giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi. Hình 3. Cấu trúc anten dipole mạch dải.  Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất. Khe hẹp này có thể bất cứ hình dạng gì tuy nhiên thông thường là dạng hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên. Hình 4. Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải. 5 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten  Anten mạch dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna), gồm các đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tấm điện môi. Hình 5. Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy. 6 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten 3.Đặc tính bức xạ của anten Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là phương pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản( ví dụ như hình chữ nhật, hình tròn), còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp. Sau đây chúng ta sẽ xét đặc tính bức xạ của anten nửa sóng và anten phần tư sóng bằng phương pháp đường truyền dẫn. 3.1 Anten mạch dải nửa sóng Anten mạch dải nửa sóng là anten mạch dải mà khoảng cách giữa hai khe bức xạ song song xấp xỉ nửa bước sóng. L ≈ 0,49λ d Trong đó λ d : bước sóng truyền trong lớp điện môi Lúc này hai khe bức xạ được kích thích ngược pha nhau, nhưng vì mật độ bức xạ của hai khe lại hướng theo hai hướng ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong hai khe lại trở nên cùng chiều trong không gian như mô tả ở hình sau: 7 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten Trường hợp 1 khe bức xạ phần tử anten nửa sóng Hình 6. Trường bức xạ của 1 khe bức xạ và của anten nửa sóng Trường bức xạ của anten mạch dải được xác định dựa trên nguồn bức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra từ các cạnh của phần tử mạch dải và mặt phằng đế trực tiếp ở phía dưới. do t<< λ d /4, mỗi khe đơn bức xạ đẳng hướng vào nửa không gian phía trên mặt phẳng đế. Trong mặt phẳng E( mặt phẳng vuông góc với trục của khe, hay mặt phăng x0y,ϴ=π/2), trường bức xạ của anten mạch dải nửa sóng được xác định theo công thức sau: E φ (φ)=i Trong mặt phẳng H(mặt phẳng y0z,φ=π/2) thì công thức trên trở thành: E φ (θ)= cos(k 0 L e sinθ) Trong mặt phẳng E Trong mặt phẳng H 8 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten Hình 7. Đồ thị phương hướng của anten mạch dải nửa chu kì Đồ thị phương hướng của anten nửa chu kì có độ rộng búp sóng tương đối lớn. Ở tần số cao đồ thị phương hướng của anten mạch dải có xu hướng bị méo 3.2 Anten mạch dải phần tư sóng Anten mạch dải phần tư sóng là anten mạch dải mà khoảng cách giữa hai khe bức xạ song song L=λ d /4 (λ d : bước sóng truyền trong lớp điện môi ) Cấu trúc của loại anten này như sau: một trong hai khe được nối tắt với màn chắn kim loại, còn điểm tiếp điện được nối vào khe bên kia. Trong trường hợp này phần tử anten mạch dải tương đương với một khe đơn. Nếu màn chắn là màn dẫn rộng vô hạn thì trường bức xạ trong mặt phẳng E sẽ có dạng đồng đều ở nửa không gian phía trên. Cường độ bức xạ giảm khoảng 6dB tại φ=±90 o . Tuy nhiên nếu màn chắn có kích thước hữu hạn thì trường bức xạ trong mặt phẳng E sẽ không còn đồng đều nữa. Trường bức xạ trong mặt phẳng H của phần tử 1/4 bước sóng được xác định theo công thức: E H =Ktanθsin(πWcosθ/λ 0 ) Với θ là góc hợp bởi trục khe và hướng quan sát nằm phía trên màn chắn 9 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten Hình 8. Đồ thị phương hướng của anten mạch dải 1/4 sóng 4. Đặc điểm của anten mạch dải: Ưu điểm : • Khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, cấu hình đơn giản, dễ sản xuất, chi phí thấp : ví dụ ta có thể sản xuất anten mạch dải nửa sóng chữ nhật ở tần số 10 GHz với chiều rộng W=11,86mm, chiều dài L=9,06mm. Do đặc điểm trên nên anten mạch dải có thể được gắn trên cánh máy bay, hệ thống tên lửa, vệ tinh hoặc các thiết bị đòi hỏi kích thước của anten nhỏ như thiết bị di động, thiết bị cầm tay… • Có thể cho phân cực tuyến tính và phân cực tròn : anten mạch dải có thể được chế tạo để nhận được trường bức xạ phân cực thẳng trực giao hoặc trường bức xạ phân cực quay bằng cách thực hiện các biện pháp tiếp điện thích hợp. Tùy theo mục đích sử dụng mà ta có thể lựa chọn biện pháp tiếp điện cho anten để có thể nhận được trường bức xạ phân cực như mong muốn. • Công nghệ chế tạo hoàn toàn phù hợp với các mạch tích hợp cao tần. cấu trúc ổn định, và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng. 10 [...]... có thể thiết kế anten mạch dải nhiều band (multi band) đây chính là hướng đi trong những năm tới đáp ứng được nhiều dịch vụ di động 5.Hệ anten mạch dải Mỗi phần tử của anten mạch dải có thể được sử dụng như một anten độc lập, hoặc chúng có thể kết hợp với nhau thành hệ anten, gọi là dàn anten mạch dải Dàn anten mạch dải có thể được tiếp điện đồng pha nhằm tăng tính định hướng cho hệ anten, hoặc tiếp... của nó nên ngày nay anten mạch dải được sử dụng rất nhiều và vì thế hệ anten mạch dải cũng đang được nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống An ten mạch dải phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Hệ anten mạch dải được sử dụng để chế tạo anten thông minh 12 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten TÀI LIỆU THAM... tạo ra hệ anten có xử lí tín hiệu, anten thông minh Khi đó sẽ tập trung năng lượng tối đa về một phía Điều đó có nghĩa là anten cần có đồ thị phương hướng đảm bảo tập trung năng 11 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten lượng trong búp sóng chính hẹp và giảm tối thiểu của các bức xạ nằm ngoài búp chính Dàn anten mạch dải hay còn được gọi là hệ anten mạch dải do hai hay nhiều anten mạch dải đơn hợp... 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 Trên đây là một số những nhược điểm của anten mạch dải vì vậy xu hướng là cải thiện được những nhược điểm này Anten vi dải có độ lợi thấp do đó cần phải sử dụng đến nhiều anten mạch dải để tăng độ lợi và ngoài ra hệ thống này có thể điều khiển được búp sóng (anten thông minh) Để...Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten Ngoài ra anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten, cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh • Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten Khuyết điểm : • Băng thông hẹp và tỉ lệ với... rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Hệ anten mạch dải được sử dụng để chế tạo anten thông minh 12 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật Anten, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2007 [2] Tài liệu các khóa trên 13 . hiểu về anten mạch dải hay còn gọi là anten mạch in hay anten vi dải 2 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten II.Nội dung 1.Khái quát: Anten vi dải (hay anten mạch in) có kích thước nhỏ, dải tần. của anten mạch dải dạng tấm. 4 Bài tập lớn môn Lý Thuyết Kỹ Thuật Anten  Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điện giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten. sẽ xét đặc tính bức xạ của anten nửa sóng và anten phần tư sóng bằng phương pháp đường truyền dẫn. 3.1 Anten mạch dải nửa sóng Anten mạch dải nửa sóng là anten mạch dải mà khoảng cách giữa hai