Thiết kế và mô phỏng anten vi dải ở tần số 900, 1800 MHz

Các mô hình này có khả năng dự đoán trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào, băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten… Đối với ant

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

# "

NGUYỄN THANH THÁI

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI

Ở TẦN SỐ 900, 1800 MHz

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT)

MÃ SỐ: 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH VẬT LÝ ĐIỆN TỬ (KỸ THUẬT)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ HỮU PHÚC

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009

Sau khoảng thời gian học tập cao học tại khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại Học Khoa Học Tp Hồ Chí Minh, các thầy như vừa mở ra cho tôi một chân trời mới Ở

đó tôi được sống trong môi trường năng động sáng tạo, cùng các bạn tiếp cận những kỹ thuật hiện đại Và tất nhiên không thể thiếu sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy

chuyên sâu về Vô Tuyến Điện Tử Đó là những kiến thức thật sự quí giá và hữu ích

trong cuộc sống cũng như trong công việc của tôi Tôi chân thành gủi lời cảm ơn đến quý thầy và kính chúc các thầy thật nhiều sức khoẻ

Nhân đây tôi muốn gửi lời tri ân đến người thầy, người đã quan tâm lo lắng và tận

tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài, thầy TS Lê Hữu Phúc Tôi xin bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy

Một lần nữa cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, ba mẹ, bạn bè tất cả những người thân yêu đã chỉ bảo quan tâm giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đề tài này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2009

Nguyễn Thanh Thái

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU viii U MỞ ĐẦU ix U CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1

1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI 1

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI 3

1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC 3

1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 4

1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE 6

1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN 7

1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 7

1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG 9

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 11

2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 11

2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 12

2.1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 15

2.1.3 KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 20

2.1.4 TỔNG TRỞ NGÕ VÀO CỦA ANTEN VI DẢI 22

2.2 MÔ HÌNH HỐC CỘNG HƯỞNG 27

2.2.1 ĐẶC TÍNH TRƯỜNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG TƯƠNG ĐƯƠNG 27

2.2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN VI DẢI 33

2.3 CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA ANTEN VI DẢI 37

2.3.1 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG 37

2.3.2 ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SÓNG 39

2.3.3 SUY HAO VÀ HỆ SỐ PHẨM CHẤT Q 40

2.3.4 HIỆU SUẤT BỨC XẠ 42

2.3.5 BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ LỢI 42

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ V À M Ô PH ỎNG 44

3.1 GIỚI THIỆU 44 U 3.2 LỰA CHỌN LỚP ĐIỆN MÔI 47

3.3 LỰA CHỌN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG (TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG) 51

3.4 TÍNH CHIỀU RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT 51

3.5 TÍNH HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG 52

3.6 TÍNH CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG CỦA ANTEN VI DẢI 52

3.7 TÍNH CHIỀU DÀI PHẦN MỞ RỘNG CỦA ANTEN VI DẢI 53

3.8 TÍNH CHIỀU DÀI THỰC TẾ CỦA ANTEN VI DẢI 54

3.9 TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA MẶT PHẲNG ĐẤT 55

3.10 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO ANTEN VI DẢI 55

3.10.1 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI DÀI λ/4 56

3.10.3 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG ĐẶT LỆCH ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 57

3.10.4 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG INSET-FEED 59

3.11 CÁC THÔNG SỐ KHÁC 60

3.11.1 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 60

3.11.2 HIỆU XUẤT BỨC XẠ, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỘ LỢI 62

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM IE3D 64

4.1 PHƯƠNG PHÁP MOMENT 64

4.2 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 900 MHz 67

4.2.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 68

4.2.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 69

4.2.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 69

4.2.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 71

4.2.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 72

4.2.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 73

4.2.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 74

4.2.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76

4.3 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI CÓ TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG 1800 MHz 78

4.3.1 SUY HAO PHẢN XẠ VÀ BĂNG THÔNG CỦA ANTEN 79

4.3.2 TRỞ KHÁNG NGÕ VÀO 80

4.3.3 ĐỒ THỊ BỨC XẠ 80

4.3.4 ĐỒ THỊ ĐỘ LỢI CỦA ANTEN THEO TẦN SỐ 82

4.3.5 ĐỒ THỊ TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 83

4.3.6 HƯỚNG TÍNH CỦA ANTEN 84

4.3.7 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHÁC 85

4.3.8 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 87

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

KẾT LUẬN 90

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang

TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang

TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang

MOM Moment Of Method Phương pháp moment

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn

3D Three Dimensional Ba chiều

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật 2

Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng 3

Hình 1.3 Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương 4

Hình 1.4 Anten vi dải với đường tiếp điện vi dải và mạch tương đương 5

Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải 5

Hình 1.6 Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương 6

Hình 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương 7

Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải 8

Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải 9

Hình 2.1 Mô hình đường truyền sóng 12

Hình 2.2 Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải 13

Hình 2.3 Đường truyền vi dải 13

Hình 2.4 Hiệu ứng đường biên của anten vi dải 14

Hình 2.5 Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải 14

Hình 2.6 Đường truyền vi dải 15

Hình 2.7 Cấu trúc và mô hình truyền sóng (TEM) của đường truyền vi dải [6] 17

Hình 2.8 Phân bố điện trường 21

Hình 2.9 Mạch tương đương của mô hình đường truyền sóng 22

Hình 2.10 Anten vi dải với đường cấp nguồn inset-feed 26

Hình 2.11 Phân bố điện tích và mật độ dòng trên anten vi dải 28

Hình 2.12 Mô hình hộp cộng hưởng của anten vi dải 28

Hình 2.13 Mô hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải 33

Hình 2.14 Dòng tương đương tại hai khe bức xạ 34

Hình 2.15 Bức xạ từ một khe 35

Hình 2.16 Mẫu bức xạ của anten vi dải trong mặt phẳng E và H [7] 37

Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật của chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 45

Hình 3.2 Giao di ện chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải 46

Hình 3.3 Anten vi dải với đường cấp nguồn λ/4 56

Hình 3.4 Anten vi dải với đường cấp nguồn đặt lệch khỏi điểm giữa 58

Hình 3.5 Anten vi dải với kỹ thuật cấp nguồn inset-feed 59

Hình 3.6 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 61

Hình 3.7 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng E (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 61

Hình 3.8 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 900MHz) 62

Hình 3.9 Mẫu bức xạ trong mặt phẳng H (anten có tần số cộng hưởng 1800MHz) 62

Hình 4.1 Cấu trúc của anten vi dải 900 MHz dùng trong mô phỏng 68

Hình 4.2 Đồ thị thông số S của anten vi dải 900 MHz 68

Hình 4.3 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 900 MHz 69

Hình 4.4 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900 MHz với φ = 0 0 70

Hình 4.5 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 900MHz với φ = 90 0 70

Hình 4.6 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 900 MHz trong toạ độ xyz 71

Hình 4.7 Độ lợi của anten vi dải 900 MHz 72

Hình 4.8 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 900 MHz 73

Hình 4.9 Đồ thị hướng tính của anten vi dải 900 MHz 74

Hình 4.10 Mẫu bức xạ 3D của anten vi dải 900 MHz 75

Hình 4.11 Phân bố dòng trên anten vi dải 900 MHz 75

Hình 4.12 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 900 MHz 76

Hình 4.13 So sánh mẫu bức xạ H plane của anten vi dải 900 MHz 77

Hình 4.14 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 900 MHz 78

Hình 4.15 Cấu trúc của anten vi dải 1800 MHz dùng trong mô phỏng 79

Hình 4.16 Đồ thị thông số S của anten vi dải 1800 MHz 79

Hình 4.17 Đồ thị thông số Z của anten vi dải 1800 MHz 80

Hình 4.18 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 1800 MHz với φ = 0 0 81

Hình 4.19 Đồ thị bức xạ 2D của anten vi dải 1800MHz với φ = 90 0 81

Hình 4.20 Đồ thị bức xạ của anten vi dải 1800 MHz trong toạ độ xyz 82

Hình 4.21 Độ lợi của anten vi dải 1800 MHz 83

Hình 4.22 Đồ thị sóng đứng điện áp của anten vi dải 1800 MHz 84

Hình 4.23 Đồ thị hướng tính của anten vi dải 1800 MHz 85

Hình 4.24 Mẫu bức xạ 3D của anten vi dải 1800 MHz 86

Hình 4.24 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 1800 MHz 86

Hình 4.25 Phân bố dòng và vector dòng trên anten vi dải 900 MHz 87

Hình 4.26 So sánh mẫu bức xạ H plane của anten vi dải 1800 MHz 88

Hình 4.27 So sánh mẫu bức xạ E plane của anten vi dải 1800 MHz 89

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1 Các đặc tính của một số loại vật liệu điện môi 49

Bảng 2 Các loại vật liệu điện môi thông dụng dùng trong thiết kế anten vi dải .50

Bảng 3 Chiều rộng của anten vi dải hình chữ nhật 51

Bảng 4 Hằng số điện môi hiệu dụng 52

Bảng 5 Chiều dài của anten vi dải 53

Bảng 6 Phần mở rộng chiều dài của anten vi dải 54

Bảng 7 Chiều dài của anten vi dải 54

Bảng 8 Kích thước của mặt phẳng đất 55

Bảng 9 Độ rộng đường truyền vi dải λ/4 57

Bảng 10 Khoảng độ lệch z của đường truyền vi dải so với anten 59

Bảng 11 Vị trí của inset-feed 60

Bảng 12 Độ định hướng, độ lợi và hiệu suất của anten 63

Bảng 13 So sánh kết quả mô phỏng trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải và phần mềm IE3D 77

Bảng 14 So sánh kết quả mô phỏng anten trong chương trình thiết kế và mô phỏng anten vi dải và phần mềm IE3D 88

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo thì công việc thiết kế

và mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng Trước khi chế tạo thử nghiệm một sản phẩm nào đó thì thông thường người ta sẽ thiết kế sản phẩm đó trước rồi mới tiến hành mô phỏng Sau khi mô phỏng đạt kết quả tốt người ta mới tiến hành sản xuất thử nghiệm Có như vậy mới có thể tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất thử nghiệm Hơn nữa, trong một số lĩnh vực việc tiến hành thử nghiệm trong thực tế gặp rất nhiều khó khăn và không an toàn thì giải pháp dùng máy tính để thiết kế và mô phỏng trước là một giải pháp vừa an toàn, vừa hiệu quả

Phương pháp thiết kế và mô phỏng phải được tiến hành và giải quyết theo từng yêu cầu cụ thể, thậm chí với cùng một yêu cầu có thể có nhiều phương pháp thiết kế và

mô phỏng khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và khuyết điểm riêng Việc chọn lựa phương pháp thiết kế và mô phỏng tuỳ thuộc vào mục đích và khả năng của người thực hiện

Hiện nay, anten được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: trong hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông, trong các hệ thống mimo Tuy nhiên, trước khi chế tạo thử nghiệm một mẫu anten thông thường người ta phải qua quá trình thiết kế và mô phỏng Các mô hình tương đương dùng trong phân tích và mô phỏng anten nhằm mục đích giảm bớt các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten Các mô hình này có khả năng dự đoán trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào, băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten…

Đối với anten vi dải (microstrip antenna) để đánh giá hoạt động của nó người ta thường dùng hai mô hình phổ biến sau: mô hình đường truyền sóng (transmission line model), mô hình hốc cộng hưởng (cavity model) Ngoài ra còn có mô hình toàn sóng (full wave model) dùng trong phân tích anten vi dải và mô hình này được chia thành các

phương pháp như sau: phương pháp moment (MoM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD)…Trong các kỹ thuật phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền sóng là đơn giản nhất nhưng độ chính xác không cao Mô hình hốc cộng hưởng chính xác hơn nhưng cũng khó áp dụng cho các anten có hiệu ứng ghép cặp Mô hình toàn sóng là chính xác nhất, có khả năng phân tích nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng rất phức tạp Nó đòi hỏi thời gian tính toán lâu

do đó mô hình này thường được áp dụng trong các phần mềm thương mại Tuy nhiên, mô hình toàn sóng lại cho ít hiểu biết về vật lý hơn mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng Mặc dù hai mô hình này cho kết quả kém chính xác hơn

Hiện nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về anten vi dải như: mô phỏng truyền sóng điện từ bằng phương pháp FDTD – Áp dụng khảo sát anten vi dải và mạch lọc ở siêu tần của Phạm Ngọc Sơn (Trường ĐH KHTN TP HCM), phân tích anten vi dải của

Hà Huy Hùng (Trường ĐH BK TPHCM), sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi dải của Nguyễn Chương Đỉnh (Trường ĐH BK TPHCM), thiết kế thử nghiệm anten vi dải của Vũ Đình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú (Trường ĐH BK TPHCM) Tuy nhiên, các đề tài này chủ yếu áp dụng phương pháp FDTD trong mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật Nhược điểm của phương pháp này là phải biết trước kích thước vật lý của anten Do đó, đề tài của tác giả sẽ tập trung nghiên cứu mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng để áp dụng trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật Hai mô hình này tương đối đơn giản nhưng có khả năng tính toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ nhật

Nhiệm vụ của đề tài là phải tính toán thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật dựa vào hai mô hình này Tuy nhiên, để kiểm chứng kết quả mô phỏng được đề tài

sẽ sử dụng thêm một phần mềm thương mại IE3D Phần mềm này ứng dụng phương pháp momment trong mô hình toàn sóng để tính trường bức xạ của anten vi dải

Đề tài được thực hiện dựa trên sự trợ giúp của phần mềm Matlab, phiên bản 7.0 Nội dung lý thuyết của đề tài được trích dẫn dựa trên nhiều nguồn tài liệu sách báo khác nhau, các phần trích dẫn quan trọng sẽ có chú thích rõ ràng Các nguồn tài liệu được tác

giả sưu tầm trên mạng và qua sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè, đặc biệt là của thầy hướng dẫn đề tài

Nội dung của đề tài gồm:

• Tìm hiểu về anten vi dải và các phương pháp phân tích hoạt động của anten vi dải

• Khảo sát mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng

• Áp dụng các kết quả thu được để tính toán thiết kế và mô phỏng một anten vi dải hình chữ nhật

• Mô phỏng anten vi dải đã thiết kế ở trên bằng phần mềm IE3D để kiểm chứng kết quả

Đề tài được chia làm bốn chương Quan trọng nhất là chương hai, chương này trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng áp dụng vào cho anten

vi dải hình chữ nhật

• Chương 1: Giới thiệu tổng quan về anten vi dải

• Chương 2: Trình bày mô hình đường truyền sóng và mô hình hốc cộng hưởng

áp dụng cho anten vi dải hình chữ nhật để tính toán các thông số đặc trưng của anten

• Chương 3: Áp dụng các kết quả thu được để thiết kế chương trình tính toán và

mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật

• Chương 4: Ứng dụng chương trình IE3D để mô phỏng anten vi dải đã thiết kế

và kiểm chứng kết quả mô phỏng ở chương 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI

Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ những năm 1970, mặc dù những thiết kế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ những năm 1950 Ngày nay, anten vi dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông Đây

là loại anten có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc đơn giản, rẻ tiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in Ngoài ra, anten loại này còn có sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản, các đường cấp nguồn và các mạch phối hợp trở kháng có thể thực hiện đồng thời cùng với việc chế tạo anten

Tuy nhiên, anten dạng này cũng có một số nhược điểm như: hiệu xuất thấp (do suy hao của điện môi và điện dẫn), khả năng tích trữ công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải…), băng thông hẹp (khoảng một vài phần trăm), hầu hết đều bức xạ trong nữa không gian phía trên mặt phẳng đất, một số loại có

độ lợi thấp…

Anten vi dải được ứng dụng trong dải tần GHz (f > 0.5 GHz) Đối với những tần

số thấp hơn thì kích thước của anten trở nên quá lớn

1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI

Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ và được chế tạo trên một bản mạch in Thực chất anten vi dải là một dạng anten có kết cấu bức xạ kiểu khe

Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch) được đặt trên một lớp điện môi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiếp điện Cấu

trúc điển hình của một phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật được cho trong hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật

Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, bề dày của bản kim loại t, độ dẫn điện của bản kim loại σ , chiều dày lớp điện môi h, hằng số điện môi ε , suy hao tiếp tuyến (loss tangent) của lớp điện môi tan(δ )

Bản kim loại rất mỏng, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng truyền trong không gian

tự do (t << λ ) Tuy nhiên, độ dày này phải ít nhất lớn hơn một vài lần so với độ sâu của 0lớp mặt ngoài vì nếu độ dày của bản kim loại nhỏ hơn độ sâu của lớp mặt ngoài thì những tổn thất thuần trở sẽ làm giảm hiệu suất bức xạ của anten Chiều dài L của bản kim loại thường trong khoảng (λ /3 < L < 0 λ /2) 0

Chiều dày lớp điện môi h và hằng số điện môi ε đóng vai trò quan trọng trong các

thông số bức xạ của anten Độ dày h của lớp điện môi thường trong khoảng (0.002λ < h 0

< 0.1λ ), hằng số điện môi ε thường trong khoảng (2.2 < ε < 12) Lớp điện môi dày với 0hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng, suy hao

do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn Những vật liệu có hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 và lớn hơn 12 thường không phổ biến trong những thiết kế thương mại

Ngoài ra anten vi dải còn có các hình dạng khác như: hình vuông, hình tròn, hình tam giác, hình vành khăn, hình ellip …được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI

Có nhiều phương pháp cấp nguồn (tiếp điện) hay truyền năng lượng điện từ cho anten vi dải Bốn phương pháp phổ biến nhất là: cấp nguồn bằng đường truyền vi dải, cấp nguồn bằng probe đồng trục, cấp nguồn bằng phương pháp ghép gần, cấp nguồn bằng

phương pháp ghép khe

1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC

Probe đồng trục là một kỹ thuật rất phổ biến thường được dùng để cấp nguồn cho anten vi dải Một dây dẫn điện bên trong đầu nối đồng trục được kéo dài xuyên qua lớp điện môi và được hàn với bản kim loại bức xạ phía trên, còn phần bên ngoài đầu nối được nối với mặt phẳng đất như trong hình 1.3 Thuận lợi chính của kỹ thuật tiếp điện này là đường tiếp điện có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào bên trong bản kim loại nhằm mục đích phối hợp trở kháng với tổng trở ngõ vào của nó Phương pháp tiếp điện này rất dể sản xuất và

ít gây bức xạ không mong muốn Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của kỹ thuật này là cho băng thông hẹp, khó khoan một lỗ nhỏ trong lớp điện môi, hàn dây dẫn bên trong đầu nối đồng trục vào bản kim loại và để đầu nối vừa nhô ra phia bên ngoài mặt phẳng đất Đối

với những lớp điện môi dày (h > 0.02λ ) kỹ thuật này lại càng khó thực hiện bởi vì chiều 0dài của dây dẫn bên trong đầu nối dài hơn làm thay đổi tổng trở ngõ vào ảnh hưởng đến vấn đề phối hợp trở kháng

Hình 1.3 Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương

1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI

Trong kỹ thuật tiếp điện này, một đường dẫn điện vi dải được nối trực tiếp với cạnh của anten vi dải như trong hình 1.4 Chiều rộng của đường truyền này phải nhỏ hơn chiều rộng của anten vi dải

Hình 1.4 Anten vi dải với đường tiếp điện vi dải và mạch tương đương

Phương pháp này tiện lợi khi đường truyền vi dải có thể được thực hiện trên cùng một lớp điện môi Để phối hợp trở kháng có thể sử dụng kỹ thuật đường truyền một phần

tư bước sóng (λ - quarterwave line), đặt lệch vị trí của đường cấp tín hiệu so với điểm /4trung tâm (offset feed line) hay cắt sâu vào chiều rộng của bản kim loại một đoạn (inset feed line) như hình 1.5 Các kỹ thuật này rất dễ chế tạo và sản xuất cũng như dễ dàng trong việc phối hợp trở kháng Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm gia tăng sóng bề mặt, những bức xạ không mong muốn và ảnh hưởng đến băng thông Ngoài ra chúng ta có thể cấp nguồn cho anten vi dải bằng các kỹ thuật không tiếp xúc để hạn chế những vấn đề này

a Quarterwave feed line b Inset feed line

c Offset feed line

Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải

1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE

Trong kỹ thuật này, bản kim loại bức xạ và đường tiếp điện vi dải được đặt tách biệt nhau bởi một mặt phẳng đất như hình 1.6 Việc ghép bản kim loại và đường cấp tín hiệu được thực hiện thông qua một khe trong mặt phẳng đất Khe ghép luôn đặt ở giữa và dưới bản kim loại nhằm giảm bớt phân cực chéo do cấu trúc đối xứng Khoảng ghép giữa đường tiếp điện và bản kim loại được xác định bằng kích thước và vị trí của khe Mặt phẳng đất tách biệt so với đường truyền và bản kim loại nên bức xạ không mong muốn là cực tiểu Thông thường, vật liệu có hằng số điện môi lớn và dày dùng cho lớp dưới còn vật liệu có hằng số điện môi nhỏ và mỏng hơn sử dụng ở lớp trên nhằm tối ưu bức xạ từ bản kim loại Bất lợi chính của phương pháp này là khó sản xuất, chế tạo do có nhiều lớp, cũng chính vì vậy mà làm cho anten trở nên dày hơn Loại tiếp điện này có băng thông rất rộng

Hình 1.6 Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương

1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN

Trong kỹ thuật này, đường cấp tín hiệu được đặt giữa hai lớp điện môi và bản kim loại bức xạ được đặt ở lớp điện môi trên cùng như hình 1.7 Ưu điểm của phương pháp này là cho băng thông rộng và loại bỏ bức xạ trên đường tiếp điện Kỹ thuật này cho phép chọn hai lớp điện môi khác nhau cho bản kim loại bức xạ và cho đường truyền tín hiệu nhằm mục đích tối ưu những hoạt động riêng rẽ của hai phần tử này Việc phối hợp trở kháng có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh chiều rộng của đường cấp tín hiệu và tỉ số chiều dài và rộng của bản kim loại Khó khăn chính của phương pháp này là việc chế tạo, sản xuất bởi vì nó có tới hai lớp điện môi và cũng làm cho anten dày hơn

Hình 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương

1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI

Anten vi dải được chế tạo bằng cách ăn mòn một lớp đồng trên một nền điện môi Kích thước và hình dạng của anten phụ thuộc vào tần số cộng hưởng và các thông số bức

xạ Để nghiên cứu hoạt động của anten vi dải ta xét một anten vi dải hình chữ nhật điển hình như hình 1.8 Nó có một đường cấp nguồn được điều hợp ở 50 Sự phối hợp trở Ω

kháng thu được giữa điểm đầu của anten và đường cấp nguồn bằng cách đặt đường cấp nguồn lệch khỏi điểm giữa một khoảng

Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải

Sóng cần truyền đi di chuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống phía dưới Sau đó nó tiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và phần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do Sóng phản xạ dội lại và tiến vào anten cho đến khi nó tắt dần như hình 1.9 Một phần năng lượng cộng hưởng này quay trở lại nguồn, một phần bị triệt tiêu trong lớp điện môi và phần còn lại bức xạ ra không gian tự do

Tần số của sóng tại điểm cộng hưởng thì điện trường xung quanh các cạnh có biên

độ cực đại Do đó, điện trường bức xạ sẽ lớn nhất tại tần số cộng hưởng

Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải

1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG

Khi áp sóng có bước sóng sắp sỉ một nữa chiều dài của anten thì anten vi dải cộng hưởng ở nhiều sóng λ đó là: λ , /2 3λ/2, …Những tần số cộng hưởng này tạo nên các mode của anten

Nếu điện trường áp vào chỉ có thành phần theo hướng x và từ trường chỉ có thành phần theo hướng y thì sóng sẽ lan truyền theo hướng z Mode từ ngang (TM) tồn tại khi trường Hx bằng không và mode điện ngang (TE) tồn tại khi trường Ey bằng không Do đó, anten vi dải có trường Hx bằng không nên chỉ có mode TM

Điện trường ở vùng dưới bản kim loại tại tần số cộng hưởng được cho bởi [8]:

) cos(

) cos(

0

L

y n W

x m E

(1.1)

Với m, n = 0, 1,2, …Là các mode của anten Giá trị n biểu diễn sự cộng hưởng dọc theo chiều dài của anten và giá trị m biểu diễn sự cộng hưởng dọc theo chiều rộng của anten

Do đó, tần số cộng hưởng của anten được xác định như sau :

r mn

mn

c k

f

επ2

Với: 2 ( ) 2 ( ) 2

L

n W

m

k mn= π + π

Công thức trên tính gần đúng những tần số cộng hưởng nhưng với giả thuyết là các bức tường từ xung quanh bản kim loại là hoàn hảo và do đó không tính đến các trường biên ở các cạnh của anten Vì thế, tác giả James [14] đã đề xuất một công thức cải tiến như sau :

Δ+

=

1

1)()(0 1

L W f

f

r r

r r

−+

=

Δ 0.882 0.164(2 1) 1 0.758 ln 1.88

h

W W

h

r

r r

r

πε

εε

+

=

h

L F

r

2

1 2

+

=

h

W F

r

2

1 2

1

1 1

04 0 12

1

2 1

2 2

1

h

a a

h

h

a h

A a

h h

a

F

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH

ANTEN VI DẢI

Các mô hình tương đương dùng trong phân tích anten vi dải nhằm mục đích giảm bớt các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm của anten, cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải Các mô hình này có khả năng dự đoán trước các đặc tính bức xạ của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cực, tổng trở ngõ vào, băng thông, mạch tương hỗ và hiệu xuất của anten…

Trong thực tế để đánh giá hoạt động của anten vi dải có hai mô hình phổ biến sau:

mô hình đường truyền vi dải, mô hình hốc cộng hưởng Ngoài ra còn có các phương pháp khác phân tích toàn sóng anten vi dải như: phương pháp moment (MoM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD)…Trong các kỹ thuật phân tích anten vi dải trên, mô hình đường truyền vi dải là đơn giản nhất nhưng độ chính xác không cao Mô hình hốc cộng hưởng chính xác hơn nhưng cũng khó áp dụng cho các anten có hiệu ứng ghép cặp Mô hình toàn sóng là chính xác nhất, có khả năng phân tích nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng rất phức tạp

Nó đòi hỏi thời gian tính toán lâu do đó mô hình này thường được áp dụng trong các phần mềm thương mại Mô hình đường truyền vi dải, mô hình hốc cộng hưởng tương đối đơn giản nhưng có khả năng tính toán được các thông số cơ bản của anten vi dải hình chữ

nhật

2.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG

Anten vi dải hình chữ nhật có hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truyền vi dải

Do đó, những anten loại này có thể được mô hình như một phần của đường truyền sóng

Mô hình đường truyền sóng là một trong những mô hình trực quan nhất trong phân tích anten vi dải và nó tương đối chính xác đối với lớp điện môi mỏng

Mô hình đường truyền sóng rất đơn giản và hữu ích trong việc xem xét hoạt động

cơ bản của anten vi dải Mô hình này xem anten vi dải như một mảng gồm có hai khe bức

xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau một khoảng L như hình 2.1

Đơn giản hơn mô hình đường truyền sóng xem anten vi dải như hai khe bức xạ cách nhau bởi một tổng trở Zc trên một đường truyền có chiều dài L

Hình 2.1 Mô hình đường truyền sóng

Theo hình 2.1, z là hướng lan truyền sóng điện từ của đường truyền sóng Trong

mô hình đường truyền sóng, những khe bức xạ của anten vi dải biểu diễn đầu mút ở hai bên đường truyền tổng trở rất cao Do đó, cấu trúc này có đặc tính cộng hưởng phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài L dọc theo trục z Tuy nhiên, do hiệu ứng đường biên nên tần số cộng hưởng phụ thuộc theo chiều dài L không thật sự chính xác Hiệu ứng đường biên làm cho chiều dài thực tế của bản kim loại dài hơn chiều dài vật lý Leff > L

2.1.1 HIỆU ỨNG ĐƯỜNG BIÊN VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI HIỆU DỤNG

Khi kích thước của anten là hữu hạn dọc theo chiều dài và chiều rộng thì trường bức xạ ở cạnh của anten chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng đường biên Điều này được minh hoạ trong hình 2.2, hai khe bức xạ của anten vi dải chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đường biên dọc theo chiều dài Hiệu ứng đường biên là một hàm phụ thuộc vào kích thước của bản kim loại và chiều cao của lớp điện môi Đối với mặt phẳng chính E (mặt phẳng xy) thì hiệu ứng đường biên là một hàm phụ thuộc chiều dài L của bản kim loại, chiều cao h của lớp nền (L/h) và hằng số điện môi ε của lớp nền Khi anten vi dải có r L/h<<1 thì hiệu ứng đường biên giảm Tuy nhiên, hiệu ứng đường biên này cũng phải được tính đến

vì nó ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten Hiệu ứng đường biên này được áp dụng tương tự đối với chiều rộng của anten vi dải

Hình 2.2 Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải

Để hiểu rõ hơn về hiệu ứng đường biên ta xét một đường truyền vi dải như hình 2.3 có những đường sức ở cạnh như hình 2.4 Đây là những đường không đồng nhất vì phần trên truyền trong không khí còn phần dưới truyền trong lớp điện môi Như vậy, hầu hết các đường sức của điện trường tập trung ở lớp điện môi nền, chỉ có một phần còn lại tồn tại trong không khí Khi W/h >> 1 và ε >> 1 thì hầu như các đường sức điện trường rchỉ tập trung trong lớp điện môi nền Hiệu ứng đường biên trong trường hợp này làm cho đường truyền vi dải rộng hơn xét về mặt điện trường so với kích thước vật lý thực của nó

Hình 2.3 Đường truyền vi dải

Hình 2.4 Hiệu ứng đường biên của anten vi dải

Khi sóng điện từ dịch chuyển thì sẽ có một phần nằm trong lớp điện môi và một phần nằm trong không khí Do đó, người ta đưa ra khái niệm hằng số điện môi hiệu dụng

reff

ε Lớp điện môi hiệu dụng được xem như một lớp điện môi đồng nhất bao bộc xung quanh đường truyền vi dải như hình 2.5 Đối với lớp không khí phía trên lớp nền thì giá trị của hằng số điện môi hiệu dụng trong khoảng 1 < εreff <ε r

Hình 2.5 Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải

Hằng số điện môi hiệu dụng cũng là một hàm của tần số Khi tần số tăng cao thì các đường sức của điện trường chỉ tập trung ở lớp nền nên đường truyền vi dải được xem như một đường truyền đồng nhất có hằng số điện môi hằng bằng hằng số điện môi của lớp nền

Tuy nhiên, hằng số điện môi hiệu dụng còn bị ảnh hưởng bởi một thông số nữa chính là độ dày của chất dẫn điện Nếu độ dày của chất dẫn điện t = 0 Hằng số điện môi hiệu dụng được tính theo công thức Wheeler và Schneider [7] như sau :

• Nếu Wf/hf > 1

2 / 1

] 12 1 [ 2

1 2

+

− +

+

=

f

f rf

rf

h

εε

• Nếu Wf/hf < 1

] ) 1 ( 04 0 ) 12 1 [(

2

1 2

f

f f

f rf

rf rfeff

h

W W

h

− +

+

− +

) 1 ( )

1 ( 1 5

0 ) 0

(

f f

f rf f

f rf

rf rfeff

W h

t h

εε

Trong đó:

2 5

0

1 04 0 12

f f

f

h

W W

h h

5 0

12 1

f

W

h h

2.1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI

Đường truyền vi dải có trở kháng thay đổi theo bề rộng của bản vật dẫn và độ dày của lớp điện môi Cấu trúc chung của các đường truyền vi dải được minh hoạ trong hình 2.6

Hình 2.6 Đường truyền vi dải

Trường điện từ của đường truyền vi dải được mở rộng trong hai môi trường, lớp không khí ở trên và lớp điện môi ở dưới nên cấu trúc của đường truyền vi dải là không

đồng nhất Do cấu trúc không đồng nhất này mà đường truyền vi dải không có sóng điện

từ ngang thuần tuý Một sóng thuần điện từ ngang chỉ có những thành phần theo hướng ngang và vận tốc lan truyền sóng của nó chỉ phụ thuộc vào những đặc tính của vật liệu, tức là phụ thuộc vào hằng số điện môi và hằng số từ thẫm Tuy nhiên, với sự xuất hiện của hai môi trường truyền sóng (lớp điện môi nền và lớp không khí) thì sóng truyền trong đường truyền vi dải sẽ có thành phần điện trường và từ trường theo hướng dọc và vận tốc lan truyền sóng của nó không chỉ phụ thuộc vào những đặc tính của vật liệu mà còn phụ thuộc vào kích thước vật lý của đường truyền vi dải

Khi các thành phần của điện từ trường theo hướng dọc đối với mode chính của đường truyền vi dải là rất nhỏ so với các thành phần theo hướng ngang thì chúng có thể được bỏ qua Trong trường hợp này mode chính có thể xem như là mode điện từ ngang

và đường truyền vi dải có thể áp dụng lý thuyết đường truyền sóng theo hướng điện từ ngang Khái niệm này gọi là sắp sỉ tựa điện từ ngang và nó đúng đối với hầu hết tần số hoạt động của đường truyền vi dải

Trong khái niệm xắp xỉ tựa điện từ ngang, một vật liệu điện môi đồng nhất với hằng số điện môi hiệu dụng sẽ được thay thế cho môi trường điện môi-không khí không đồng nhất của đường truyền vi dải Những đặc tính truyền sóng của đường truyền vi dải được mô tả bởi hai thông số là hằng số điện môi hiệu dụng εrfeff và tổng trở đặc trưng Z0

Theo mô hình xắp xỉ tựa điện trường ngang, do xem môi trường là đồng nhất với hằng số điện môi hiệu dụng nên hai bên bản vật dẫn xuất hiện hiệu ứng đường biên Hiệu ứng này làm cho chiều rộng của đường truyền vi dải rộng hơn thực tế xét về mặt điện trường nên được gọi chiều rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải như hình 2.7 và được tính theo công thức sau:

f f

=

Δ

f

f f

f

t

W t

π

4ln1625.0

Δ

f

f f

f

t

h t

Hình 2.7 Cấu trúc và mô hình truyền sóng (TEM) của đường truyền vi dải [6]

Như vậy, tổng trở đặc trưng của đường truyền vi dải được tính với độ chính xác tốt hơn 1% như sau [6]:

f

W W

h

Z ln 8 0 25

) 0 (

60 )

120)

+

=

f

feff f

feff

W h

W Z

Trong anten vi dải vận tốc pha không phải là một hằng số mà nó phụ thuộc vào tần

số Điều này có nghĩa là hằng số điện môi hiệu dụng là một hàm của tần số Thực nghiệm cho thấy rằng ở tần số cao thì các công thức trên không còn chính xác nữa Để áp dụng các công thức trên giá trị của tần số thường được chọn fstat ~ 1.5GHz và mối liên hệ giữa tần số và tổng trở được xác định theo công thức sau [9]:

) 0 (

) 0 ( 04

rfef f stat

h

Z f

Giá trị của hằng số điện môi hiệu dụng phụ thuộc tần số được cho bởi [9]:

0 1

]) [ ] [ 157 0 1 (

525 0 6315

0 27488

cm h GHz f h

W P

f f

[1 exp( 0 03442 )]

33622 0

3

87 3

] [ ] [ exp

1 6

4 exp 0363

=

8 4

916.15exp1751.2

0 ( ) ( 0 )

R

R

R Z

f

4 1

5 28 843

] [ ] [

92 1

3144.0206

=

745 2 0

647 1 3 8

365 18

] [ ] [ )

( 004625

0 exp 1 257 1

5 4

6

6 5

4 9

)1(101)2992.11)(

386.03838.0(

)exp(

)1(086.5

−+

++

R R

R R

ε

ε

184.0)

(00044

6 0

6 0

11

47.19][][0962.01

47.19][][

mm h GHz f R

f

f

2 12

00245.01

=

f

f

h W

9603.0)]

([948

0()[

9408.0

10 15

3 12

] [ ] [ 707

=

6 11

2

16 1 0.0503( ) 1 exp

f

f rf

h

W R

12 7

17 1 1 1241 exp 0 026 f [GHz]h [mm] R

R

R R

2.1.3 KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN VI DẢI HÌNH CHỮ NHẬT

Theo mô hình đường truyền sóng, hướng z sẽ là hướng lan truyền của sóng điện

từ Do hiệu ứng đường biên nên kích thước của anten vi dải xét theo mặt điện trường sẽ

dài hơn kích thước vật lý của nó Đối với mặt phẳng chính E (mặt phẳng xy), điều này có

thể được biểu diễn như trong hình 2.8, trong đó kích thước của bản kim loại dọc theo

chiều dài của nó được mở rộng mỗi bên một khoảng cách ΔL Khoảng mở rộng ΔL phụ

thuộc vào hằng số điện môi hiệu dụng và tỷ số W/h [7]:

258.0(

264.0)

3.0(

412.0

h W h

W h

L eff = + 2 Δ

Trong đó, L = λ đối với mode TM/2 010 (không tính hiệu ứng đường biên)

Đối với mode TM010, tần số cộng hưởng của anten vi dải là một hàm phụ thuộc

vào chiều dài của anten và được cho bởi:

r r r

r

f

c L

f

εε

μ

2

1)

(

0 0

Nếu tính đến hiệu ứng đường biên thì anten thì tần số cộng hưởng được viết lại

như sau:

reff r reff

eff re

f

c L

f

εε

μ

2

1 )

(

0 0

Hay:

reff re reff

re eff

f

c f

L

εε

=

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng (

0 0

1εμ

=

Như vậy, chiều dài của anten vi dải là:

(2.39)

L L

L= eff − 2 Δ

Hình 2.8 Phân bố điện trường

Có nhiều cách để tính chiều rộng W của anten Nếu chiều rộng của anten càng lớn

thì độ lợi và hướng tính càng lớn, ngược lại nếu chiều rộng của anten nhỏ hơn thì độ lợi

và hướng tính cũng nhỏ hơn Nếu chọn chiều rộng của anten lớn hơn chiều dài (W > L)

thì tần số cộng hưởng đầu tiên xãy ra khi W eff =λg / 2, tần số này sẽ thấp hơn trong trường

hợp L eff =λg/ 2 Không chọn W gần với L bởi vì tần số cộng hưởng mong muốn sẽ kết

hợp với tần số của W eff =λg / 2 Thực tế, sự bất đối xứng trong cấp nguồn sẽ tạo ra sự kích

thích của những mode trực giao và nếu W gần với L chúng ta sẽ có hai tần số cộng hưởng

rất gần nhau Bản chất của vấn đề này được ứng dụng trong anten hai băng tần Do mô

hình đường truyền sóng xem anten vi dải bức xạ ở hai khe dọc theo chiều dài nên chiều

rộng của anten vi dải xét về mặt điện trường không bị ảnh hưởng của hiệu ứng đường

biên Vì vậy, chiều rộng của anten được xác định như sau [7]:

2 / 12

12

2.1.4 TỔNG TRỞ NGÕ VÀO CỦA ANTEN VI DẢI

Trong mô hình đường truyền vi dải, anten vi dải được biểu diễn bằng một mạch

tương đương với hai khe bức xạ Mỗi khe bức xạ lại được biểu diễn bằng một dẫn nạp

tương đương song song (Với điện dẫn G và điện nạp B) như hình 2.9 Dẫn nạp tương

đương của một khe bức xạ được xác định dựa vào chiều rộng hữu hạn của khe như sau:

1 1

(24

11

2 0 0

λλ

h h

636 0 1

λλ

h h

k

W

Hình 2.9 Mạch tương đương của mô hình đường truyền sóng

Dẫn nạp ngõ vào của hai khe bức xạ là:

jB G Y

Để có tổng trở ngõ vào thực thì:

jB G

Y1= −

Nhưng:

L jY

Y

L jY

Y Y

+

Với: Y L =G+ jB

(G jB) L j

Y

L jY

jB G Y jB G

+ +

2 tan

Y B G

BY L

− +

=

Chiều dài của anten là đúng với biểu thức trên nên tổng dẫn , Do đó,

tổng dẫn ngõ vào của anten là:

jB G

Y1= −

G

Y in =2

Theo mô hình hốc cộng hưởng, điện dẫn của một khe bức xạ cũng có thể xác định

bằng biểu thức điện trường:

2 0 1

θπη

π

d

W k V

XS X d

W k

cos

cos2

sin

3 2

,

W k

X = 0 k0 =ω μ0ε0 , i =∫X dy

y

y X

S

0

sin)

0 2

0 1

120 1 90 1

λλ

λλ

W W

W W

Y in = +

Dẫn nạp của khe 2 có thể xác định bằng cách dịch chuyển dẫn nạp của khe 2 từ

đầu mút ngõ ra đến đầu mút ngõ vào sử dụng công thức chuyển đổi của đường truyền

sóng

L jY

Y

L jY

Y Y

+

Hai khe bức xạ lý tưởng phải được cách biệt một khoảng là λ với λ là bước /2

sóng trong lớp điện môi Tuy nhiên, do hiệu ứng đường biên nên chiều dài của bản kim

loại xét về mặt điện trường sẽ dài hơn chiều dài thực tế Do đó, khoảng cách của hai khe

sẽ nhỏ hơn λ và dẫn nạp ngõ vào là: /2

) tan(

) tan(

)) tan(

(

2 2

0

0 2 2

0 1

L Y

B j G Y jB G

Y in

ββ

β

+

−

+ +

+ +

Sự cộng hưởng đạt được khi phần ảo của Yin bằng không Điều này chỉ xãy ra khi

chiều dài của bản kim loại là:

2 0 2

2 0

2 )

tan(

Y B G

B Y L

− +

=

G G G

B B B

=

=

=

=2 1

2 1

Khi đó tổng dẫn ngõ vào là một số thực và được xác định như sau:

1 2

1 Y 2G

Y

Y in = + =

Và tổng trở ngõ vào tại tần số cộng hưởng cũng là một số thực:

1

2

1 1

G

R Y

in

Trong thực tế có sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau giữa hai khe Sự ảnh hưởng này

được mô tả bằng điện dẫn tương hỗ Công thức tính tổng dẫn ngõ vào được cải tiến như

sau:

) (

2

1

12

1 G G

R in

±

Ở đây, dấu (+) được sử dụng cho (mode lẻ) phân bố điện áp tại tần số cộng hưởng

dưới bản kim loại là bất đối xứng, dấu (-) được sử dụng cho (mode chẵn) phân bố điện áp

đối xứng Đối với anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn ở giữa có phân bố đối xứng nên

tương ứng với mode chẵn

Điện dẫn tương hỗ được định nghĩa trong vùng trường xa theo công thức:

0

Trong đó, E1 là bức xạ điện trường của khe 1, H2 là bức xạ từ trường của khe 2, V0

là điện áp qua khe và tích phân được lấy trên hình cầu có bán kính của vùng trường xa

Giá trị G12 có thể được tính như sau:

θ

θπ

π

d L

k J

W k

0 0 2

0

0 2

cos

cos2sin120

−

=0

2)!

(

)2/()1()(

m

m n m

x x

J

Tổng trở ngõ vào của anten vi dải được tính theo công thức 2.16 Tuy nhiên, nó có thể

thay đổi bằng cách ghép một đường tiếp điện, tức là khét một rãnh trên trên khe bức xạ 1

như trên hình 2.10

y 0

Hình 2.10 Anten vi dải với đường cấp nguồn inset-feed

Sử dụng các mô hình mở rộng, công thức tính tổng trở đặc trưng của anten vi dải với inset – feed được cho như sau [7]:

=

)(

2

1)

0

1 0

2 2

0

2 1

2 1 0 2 12 1

L Y

B y L Y

B G y L G

G y

2

1 )

0 2 12 1

L y

R y L G

G y

Với y0 là vị trí của điểm tiếp điện tương ứng để anten có tổng trở ngõ vào là Rin

Vị trí này có thể nằm trong khoảng từ cạnh đến tâm của bản kim loại và ảnh hưởng đến trở kháng bức xạ ngõ vào Với y0 = 0 thì điện áp kích thích lớn nhất, dòng điện bức xạ nhỏ nhất dẫn đến trở kháng lớn nhất Ngược lại, với y0 = L/2 thì điện áp nhỏ nhất, dòng điện bức xạ lớn nhất nên trở kháng nhỏ nhất (≈0)

Tuy nhiên, để nâng cao độ chính xác khi xác định tổng trở đặc trưng của anten M Ramesh đã đề xuất công thức sau:

2 6697

4043 9

2561

69 682 187

93 1783

6 13761 0 001699

0

3 4

5 6

7 4

0

L y

r r

r r

r r

− +

εε

εε

εε

ε

(2.66)

Với (2≤εr ≤10)

Như vậy, dựa vào mô hình đường truyền sóng có thể tính được kích thước vật lý của anten vi dải hình chữ nhật và công thức chuyển đổi tổng trở của hai khe bức xạ Tuy nhiên, để xác định tổng trở ngõ vào và các thông số đặc trưng khác như: trường bức xạ,

độ định hướng, độ lợi chúng ta phải sử dụng thêm mô hình hốc cộng hưởng

2.2 MÔ HÌNH HỐC CỘNG HƯỞNG

Trong mô hình này, vùng bên trong của lớp điện môi được mô hình hoá như một hộp cộng hưởng bao quanh bởi những bức tường điện (ở mặt trên và mặt dưới) và những bức tường từ (dọc theo chu vi của nó) Cơ sở cho giả thiết này là xem lớp điện môi có chiều dày rất mỏng (h << λ )

• Những trường ở vùng bên trong không biến đổi nhiều theo trục z (tức là

) bởi vì chiều dày của lớp điện môi rất mỏng

0/∂ ≡

∂ z

• Điện trường chỉ có hướng z và từ trường chỉ có thành phần theo hướng ngang Hx và Hy trong vùng được bao bộc bởi bản kim loại và mặt phẳng đất

• Dòng điện trong bản kim loại không có thành phần vuông góc với cạnh của bản kim loại, tức là thành phần tiếp tuyến với H→ dọc theo cạnh được bỏ qua nên các bức tường từ có thể đặt xung quanh chu vi của nó Xét về phương diện toán học ∂E z/∂n≡0

Mô hình xắp xỉ này dẫn đến tổng trở ngõ vào phản kháng và nó sẽ không bức xạ năng lượng Tuy nhiên, trường điện từ thực tế có thể được xắp xỉ để tạo ra trường và có thể được dùng để phân tích dạng bức xạ, dẫn nạp ngõ vào và tần số cộng hưởng

2.2.1 ĐẶC TÍNH TRƯỜNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG TƯƠNG ĐƯƠNG

Khi anten vi dải được cấp nguồn, một phân bố điện tích sẽ xuất hiện ở phía trên và phía dưới của bề mặt bản kim loại, cũng như ở phía dưới mặt phẳng đất như hình 2.11 Lực hút điện tử giữa những điện tích đối diện nhau ở mặt dưới bản kim loại và mặt phẳng đất sẽ giữ các điện tích tập trung dưới bản kim loại Lực đẩy điện tử giữa các điện tích