Nghiên cứu thiết kế mẫu anten có độ lợi cao dùng trong truyền thông điểm - điểm

Bởi vậy, một trong những vấn đề phải giải quyết là thiết kế cho được anten cao tần có độ lợi cao, đó là phần tử không thể thiếu được trong các hệ thống truyền thông viễn thông như liên l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 12

KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO 12

1.1 Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm 12

1.1.1 Khái niệm chung 12

1.1.2 Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao 13

1.1.3 Anten Yagi (Yagi antenna) 14

1.3.4 Anten Loa (Horn Antenna) 16

1.1.5 Anten thấu kính (Lens Antenna) 17

1.1.6 Anten parabol (Parabol Antenna) 18

1.1.7 Anten mảng (Aray Antenna) 19

1.1.8 Tổng quan các hệ anten độ lợi cao 19

1.2 Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (Electromagnetic Band Gap) 21

1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG 21

1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten EBG 21

1.3 Kết luận chương 1 22

Chương 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT EBG 23

2.1 Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG 23

2.1.1 Giới thiệu về vật liệu EBG 23

2.1.2 Định lí Bloch và đồ thị tán sắc 24

2.1.3 Các phương pháp mô hình hóa cấu trúc EBG 26

2.1.4 Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten 27

2.2 Cấu tạo của anten EBG 30

2.3 Nguyên lý hoạt động của anten EBG 31

2.3.1 Mô hình anten EBG 31

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của Anten EBG 35

2.4 Kết luận chương 2 41

Chương 3 42

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN EBG DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG

ĐIỂM-ĐIỂM 42

3.1 Yêu cầu thiết kế 44

3.1.1 Thông số đầu vào 44

3.1.2 Lựa chọn mô hình thiết kế 44

3.2 Quy trình thiết kế 45

3.2.1 Thiết kế bề mặt bán phản xạ: 45

3.2.2 Các thông số thiết kế về kích thước của hộp cộng hưởng 46

3.3 Mô phỏng dựa trên phần mềm 4NEC2 47

3.3.1 Giới thiệu phần mềm 4NEC2 47

3.3.2 Thiết kế anten trên 4NEC2 49

3.3.3 Đặc tính phối hợp trở kháng 52

3.3.4 Các đặc tính kỹ thuật khác của Anten 53

3.4 Kết luận chương 3 55

KẾT LUẬN CHUNG 57

1 Đóng góp của đề tài 57

2 Hướng phát triển của đề tài trong tương lai 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

NEC Numerical Electromagnetics Code

PEC Perfect Electric Conductor

PRS Partially Reflection Surface

PRS Partially Refelection Surface

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Đồ thị bức xạ của một anten độ lợi cao 12

Hình 1-2: Một số anten độ lợi cao 13

(a) Anten Loa ; (b) Anten mảng; (c) Anten parabol 13

Hình 1-3: Đồ thị bức xạ của một anten 14

Hình 1-4: Cấu trúc anten Yagi 15

Hình 1-5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ lợi và số chấn tử 15

Hình 1-6: Một số loại anten loa phổ biến 16

Hình 1-7: Anten gương parabol 18

Hình 1-8: Anten Von-Trentini 1956 21

Hình 2-1: Minh họa cấu trúc vật liệu EBG 23

Hình 2-2: Cấu trúc tuần hoàn (EBG) 24

Hình 2-3: Cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouin 26

Hình 2-4: Hệ số phản xạ của mẫu vật liệu EBG 28

Hình 2-5: Giảm sóng bề mặt với bề mặt trở kháng cao EBG 29

Hình 2-6: Ứng dụng dải cấm để điều khiển búp sóng 29

Hình 2-7: Mô hình tổng quát anten EBG 30

Hình 2-8: Anten nguồn cho anten EBG: patch antenna 30

Hình 2-9: Anten nguồn cho anten EBG: slot antenna 31

Hình 2-10: Mô hình anten EBG 31

Hình 2-11: Cấu trúc bản mặt bán phản xạ tạo bởi các thanh kim loại đường kính a, cách đều nhau một khoảng Pt 32

Hình 2-12: Sự phụ thuộc hệ số phản xạ s11 (a) |r1|, (b) r1 vào cấu trúc 33

EBG và tần số 33

Hình 2-13: Sự phụ thuộc hệ số phản xạ s22 (a) |r2|, (b) r2 vào cấu trúc 34

EBG và tần số 34

Hình 2-14 : Nguyên lí truyền sóng qua hộp cộng hưởng Fabry-Perot 35

Hình 2-15: Xác định tần số cộng hưởng f0 (theo biểu thức 2.15) 37

Hình 2-16: Đồ thị bức xạ của Anten EBG 38

Hình 2-17 Dạng của đồ thị định hướng của một anten EBG theo tần số 38

Hình 2-18 : Góc mở -3dB theo hàm của hệ số phản xạ của bề mặt EBG 39

Hình 2-19: Độ định hướng của anten EBG 3 chiều 40

Hình 3-1: Qui trình thiết kế anten EBG 43

Hình 3-2: Đồ thị bức xạ-hệ số phản xạ của anten EBG 45

Hình 3-3: Module và phase của mặt bán phản xạ EBG cấu trúc dạng trụ, đường kính a đặt cách đều nhau Pt 45

Hình 3-4: Cấu trúc anten EBG 46

Hình 3-5: Giao diện phần mềm NEC 47

Hình 3-6: Một vài kiểu anten dây và chia nhỏ thành các segment 48

Hình 3-7: Đặc tính phối hợp trở kháng với D1=12mm 52

Hình 3-8: Đặc tính phối hợp trở kháng với D1=11mm 53

Hình 3-9: Đặc tính phối hợp trở kháng với D1=10mm 53

Hình 3-10: Dạng bức xạ của anten EBG 54

Hình 3-11: Dạng bức xạ của dipole 55

Hình 3-12: Đồ thị đặc tính phối hợp trở kháng của dipole với D1=12mm 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các hệ anten độ lợi cao 20

Bảng 3-1: Thông số lựa chọn thiết kế 44

Bảng 3.2: Bảng thông số thiết kế mô phỏng anten EBG 49

Bảng 3-3: Thiết lập Dipole 50

Bảng 3-4: Thiết lập cấu trúc EBG 50

Bảng 3-5: Thiết lập nguồn cho Dipole 51

Bảng 3-6: Thiết lập tần số 51

Bảng 3.7: Độ định hướng của anten 54

Bảng 3.8: Băng thông của anten 55

MỞ ĐẦU

Kể từ khi tín hiệu radio đầu tiên được phát sóng vào thế kỷ 18, con người vẫn luôn luôn theo đuổi một mục đích là truyền tín hiệu đó đi với quãng đường dài nhất nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc trong thực tiễn Bởi vậy, một trong những vấn đề phải giải quyết là thiết kế cho được anten cao tần có độ lợi cao, đó là phần tử không thể thiếu được trong các hệ thống truyền thông viễn thông như liên lạc vũ trụ hay truyền thông vệ tinh, trong các ứng dụng dân dụng

và quân sự như truyền hình, radar dẫn đường, hệ định vị, thông tin di dộng…

Sự ra đời của các loại anten có độ lợi cao đã mở ra một trang mới cho sự phát triển của các hệ truyền thông dân dụng cũng như quân sự Đặc biệt, trong những năm gần đây cộng đồng nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu và phát triển một loại anten có độ lợi cao với cấu trúc phẳng, chiếm ít thể tích, đơn giản trong thiết kế, có thể ứng dụng trong các hệ truyền thông điểm-điểm, hay các ứng dụng cho anten trạm phát sóng BTS 3G, 4G, ứng dụng trong thông tin vệ tinh, đó là anten EBG (Electromagnetic Band Gap-Dải chắn điện từ)

Hiện tại, anten EGB vẫn là một loại anten mới đang được nghiên cứu, phát triển và hướng đến những ứng dụng trong thực tiễn Đề tài trình bày cơ sở

lí thuyết tổng hợp về anten thế hệ trước, nguyên lí hoạt động của hộp cộng hưởng Fabry Perot và xây dựng qui trình thiết kế một loại anten dựa trên cấu trúc của loại vật liệu mới EBG để đạt được độ lợi cao (với các thông số khác có thể chấp nhận được đối với một anten cao tần)

Nội dung của đề tài gồm 3 chương:

Chương 1 trình bày khái quát về các hệ thống anten định hướng cao đang được sử dụng trong truyền thông điểm – điểm và giới thiệu khái quát anten thế

hệ mới có độ lợi cao: anten EBG

Chương 2 tập trung đi sâu phân tích cấu trúc dải chắn điện từ EBG trên cơ

sở các cấu trúc vật liệu tuần hoàn, những đặc tính đặc biệt của cấu trúc có thể ứng dụng để nâng cao hiệu quả của anten nguồn đặc biệt là độ lợi

Chương 3 trình bày mẫu thiết kế đề xuất một loại anten EBG đơn giản với việc sử dụng phần mềm mô phỏng khá hiệu quả là HFSS và 4NEC2

Do còn hạn chế về thời gian, vốn hiểu biết và điều kiện kỹ thuật hiện có, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn để nghiên cứu được hoàn chỉnh hơn

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO

1.1 Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm

1.1.1 Khái niệm chung

Anten là một phần tử không thể thiếu được trong mọi hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến Hiểu một cách cơ bản nhất, nó là một thiệt bị dùng để chuyển

đổi năng lượng điện áp cao tần đầu vào thành năng lượng sóng điện từ ( E, H )

truyền được trong không gian tự do

Tùy thuộc vào ứng dụng trong thực tế, người ta phân anten ra làm nhiều

loại dựa trên độ lợi (một số tài liệu gọi là độ tăng ích) của nó: anten vô hướng, anten có độ lợi thấp và anten độ lợi cao

Anten có độ lợi cao là loại anten có khả năng phát sóng tập trung vào một hướng nhất định và duy nhất Hình 1-1 dưới đây mô tả đồ thị bức xạ (radiation pattern) dạng bút chì của một anten độ lợi cao điển hình

Hình 1-1: Đồ thị bức xạ của một anten độ lợi cao Người ta phân biệt anten có độ lợi cao thành nhiều loại tùy thuộc vào hình dạng hay nguyên tắc hoạt động của chúng Anten đầu tiên được kể đến là anten Parabol phân cực tròn được phát minh bởi Heinrich R Hertz năm 1888, sau đó

có thể kể đến anten Loa (Horn Antenna) năm 1894, anten Yagi năm 1928, anten Thấu kính (Lens Antenna), anten Mảng (Array Antenna)…[4]

(a) (b) (c)

Hình 1-2: Một số anten độ lợi cao (a) Anten Loa ; (b) Anten mảng; (c) Anten parabol

1.1.2 Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao

- Độ lợi của anten (Gain of antenna)

Độ lợi của anten theo một hướng xác định là tỉ số của cường độ bức xạ trên cường độ bức xạ đo được của anten bức xạ vô hướng có cùng công suất

Đối với anten không có độ mất mát (hiệu suất 100%) thì độ lợi của anten chính là độ định hướng

Độ lợi của anten là một thông số quan trọng để tính toán cự li thông tin

- Sự phân cực của anten (Polarization of antenna)

Sóng điện từ được phát ra bởi anten có thể tạo ra những dạng khác nhau ảnh hưởng đến sự quảng bá Các hình dạng này sẽ tùy thuộc vào sự phân cực của anten Trong một hệ thống thu phát, anten phát và anten thu phải có cùng phân cực để mức thu đạt tốt nhất và tránh nhiễu Phân cực tròn được dùng trong trường hợp anten phát và anten phản xạ không có định hướng phân cực rõ ràng hoặc phân cực bị biến đổi trong quá trình truyền sóng

- Đồ thị bức xạ của anten (Radiation pattern)

Đồ thị bức xạ của anten mô tả sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng cách cố định từ anten Nó thường được diễn tả bằng thuật ngữ “hướng”

(directivity) hay “độ lợi” (gain) của anten Anten thường có búp chính hay vùng

bức xạ, chính là hướng có độ lợi lớn nhất, và búp phụ mà cụ thể hơn là búp bên hay búp sau tùy thuộc vào hướng của búp phụ so với búp chính

Trong khái niệm đồ thị bức xạ của anten thì tỉ số “trước-sau” của anten sẽ

so sánh độ lợi lớn nhất của anten trên búp chính với độ lợi lớn nhất trên búp sau

Hình 1-3: Đồ thị bức xạ của một anten

- Băng tần hoạt động của anten (Bandwidth of antenna)

Băng tần hoạt động của anten là vùng tần số cho phép anten hoạt động đảm bảo dạng bức xạ và trở kháng đầu vào không bị thay đổi

Hiện nay, anten có độ lợi cao là phần tử không thể thiếu được trong các hệ thống truyền thông viễn thông như liên lạc vũ trụ hay truyền thông vệ tinh Ngoài ra, nó còn được sử dụng nhiều trong các ứng dụng dân dụng và quân sự như anten truyền hình, radar dẫn đường, hệ định vị, thông tin di dộng…

1.1.3 Anten Yagi (Yagi antenna)

Anten Yagi hay còn gọi là anten Yagi-Uda (do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là một anten định hướng cao được sử dụng trong truyền thông vô tuyến Loại anten này thường được sử dụng cho mô hình điểm-điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểm-

đa điểm Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các phần tử là các anten dipole song song nhau Mỗi phần tử có phân bố dòng riêng, đồ thị phương hướng của anten là tổ hợp của mỗi phần tử trong hệ (có thể tăng cường hoặc giảm bớt tùy theo phân bố dòng của mỗi phần tử) [1]

HPBW

Búp sau

Búp bên Không

HPBW

Hình 1-4: Cấu trúc anten Yagi Cấu trúc của một anten Yagi được minh họa tại hình 1-4, gồm các phần tử sau:

- Một hay nhiều chấn tử phản xạ R nằm ở một phía của chấn tử tích cực Chấn tử này sẽ hướng bức xạ ngược trở lại về phía chấn tử tích cực

- Một hoặc nhiều chấn tử dẫn xạ Di (i=1, 2, 3…) nằm ở phía ngược lại có tác dụng tập trung bức xạ về hướng đó

Khi tăng số chấn tử dẫn xạ, ta thu được độ tăng ích lớn hơn nhưng lợi điểm này giảm dần khi số lượng chấn tử dẫn xạ tăng lên như hình 1-5 Điều này là do khi các chấn tử dẫn xạ kí sinh càng xa chấn tử tích cực thì dòng cảm ứng của chúng càng giảm và đóng góp của nó vào độ tăng ích cũng giảm

Hình 1-5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ lợi và số chấn tử

Giá đỡ Chấn tử dẫn xạ Chấn tử điều khiển (tích cực)

Chấn tử phản xạ

Trở kháng vào của anten Yagi là một hàm theo trở kháng vào của chấn tử tích cực nhưng cũng chịu ảnh hưởng lớn bởi các chấn tử ký sinh Giá trị trở kháng vào theo lý thuyết của một anten 3 chấn tử là khoảng 25Ω Tùy theo cấu hình anten, giá trị này biến thiên trong khoảng 20Ω đến 100Ω [1]

Anten Yagi được dùng nhiều trong truyền hình, truyền thông điểm-điểm ở tần

số dưới 1GHz

1.3.4 Anten Loa (Horn Antenna)

Anten loa thuộc loại anten bức xạ mặt Mặt bức xạ của anten là miệng loa Phần từ cơ bản của anten là nguyên tố Huyghen, nghĩa là nguyên tố diện tích được kích thích bởi điện từ trường đồng pha Trường hợp đơn giản nhất của bức xạ mặt

là bức xạ mặt từ miệng của một ống dẫn sóng chữ nhật hoặc tròn

Anten kiểu miệng ống dẫn sóng (gọi tắt là anten ống sóng) tạo ra sự chuyển đổi sóng điện từ giữa ống dẫn sóng và không gian tự do Khi mở rộng kích thước miệng ống của anten ống sóng theo các phương án khác nhau tuỳ theo độ lợi, đồ thị bức xạ và trở kháng mong muốn ta sẽ nhận được các kiểu anten loa khác nhau [2]

Hình 1-6: Một số loại anten loa phổ biến

(a) anten loa dẹt trong mặt phẳng H, (b) anten loa dẹt trong mặt phẳng E,

(c) anten loa hình chóp

Do độ lợi của anten loa hình chóp có thể tính chính xác từ kích thước vật

lí nên nó thường được dùng làm anten chuẩn để đo độ lợi Các anten loa hình quạt là trường hợp đặc biệt của anten loa hình chóp Ngoài các loại anten loa như trong hình, cũng có một số loại anten loa khác như anten loa hình nón, được

sử dụng cho các ống dẫn sóng tròn [2]

Anten Loa được dùng nhiều trong các bộ phát đáp trong thông tin vệ tinh

1.1.5 Anten thấu kính (Lens Antenna)

Anten thấu kính thuộc loại anten mặt Mặt bức xạ của nó được kích thích bởi trường do một nguồn sóng sơ cấp đưa tới Nếu thấu kính được cấu tạo để mặt bức xạ của thấu kính được kích thích đồng pha thì sóng bức xạ từ bề mặt là sóng phẳng Trong trường hợp anten thu thì quá trình biến đổi mặt sóng được diễn ra ngược lại, nghĩa là thấu kính sẽ biến đổi sóng phẳng thành sóng cầu hội

tụ tại tiêu điểm Thấu kính như vậy gọi là thấu kính hội tụ, được dùng để thiết lập những anten có độ thị phương hướng hẹp

Ngoài các thấu kính hội tụ còn có các thấu kính có hình dạng phức tạp hơn, cho phép biến đổi sóng sơ cấp để tạo ra ở mặt bức xạ một qui luật phân bố trường cho trước, ứng với việc thiết lập đồ thị phương hướng đặc biệt Ta gọi loại thấu kính này là thấu kính đặc biệt

Trong thực tế loại thấu kính hội tụ được sử dụng rộng rãi nhất, mỗi anten thấu kính gồm hai phần chính là thấu kính và bộ chiếu xạ Tùy theo thấu kính là loại đối xứng trục hay hình trụ mà bộ chiếu xạ có hình dạng thích hợp để tạo thành sóng sơ cấp đưa tới thấu kính Việc tạo thành chùm tia song song ở mặt ra của thấu kính có thể so sự khúc xạ sóng tại một mặt thấu kính hai tại cả hai mặt (tùy theo từng kết cấu cụ thể) Trong trường hợp đầu thấu kính được gọi là thấu kính một mặt, trường hợp sau gọi là thấu kính hai mặt

Theo quan điểm quang hình, điều kiện hội tụ có thể được thỏa mãn bằng hai cách:

- Tăng độ dài quang học của tia đi qua tâm so với các tia ở ngoài Trong trường hợp này ta gọi thấu kính là thấu kính chậm;

- Giảm độ dài quang học của các tia ở ngoài so với các tia đi qua tâm thấu kính Trong trường hợp này ta gọi thấu kính là thấu kính nhanh

Ngoài các thấu kính nhanh và chậm còn có các thấu kính đoản trình, trong

đó việc hình thành sóng phẳng được thực hiện bằng cách tăng độ dài hình học của tia khi không biến đổi vận tốc pha Nếu chiết suất của môi trường thấu kính không biến đổi thì ta gọi thấu kính là thấu kính đồng nhất, ngược lại thì ta có thấu kính bất đồng nhất [2]

Anten thấu kính dùng nhiều trong các ứng dụng sử dụng tần số siêu cao như radar chống va chạm cho ô tô, trực thăng (77GHz)

1.1.6 Anten parabol (Parabol Antenna)

Anten parabol là một dạng của anten gương với bề mặt gương là hình parabol có hệ số sử dụng bề mặt cao Nguyên lí làm việc chung của gương tương tự nguyên lí của gương quang học Để thuận tiện cho việc trình bày, ta khái quát hoạt động của anten trong chế độ phát Sóng sơ cấp với dạng của mặt sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ gương sẽ trở thành sóng thứ cấp với dạng của mặt sóng và hướng lan truyền biến đổi theo yêu cầu cho trước Việc biến đổi dạng mặt sóng được thực hiện nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt gương

Trong phần lớn các trường hợp, mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) với hướng tính kém thành sóng phẳng hoặc gần phẳng, với năng lượng tập trung trong một góc không gian hẹp Trong một trường hợp khác, anten gương có nhiệm vụ vừa biến đổi dạng giản đồ hướng của bức xạ sơ cấp, vừa biến đổi hướng truyền lan (anten loa-parabol)

Anten gương parabol được minh họa như hình 1-7 có khẩu độ L, độ sâu h, parabol có tiêu cự f Nếu h>f, nghĩa là góc mở của anten gương 0 </2 thì

gương được gọi là gương sâu, và ngược lại gọi là gương nông [2]

Hình 1-7: Anten gương parabol Anten gương parabol có hai loại là gương parabol tròn xoay với kích thích

sử dụng bộ chiếu xạ là nguồn tập trung (như chấn tử tiếp điện bởi cáp đồng trục

có kèm theo chấn tử phản xạ hoặc đĩa kim loại phản xạ hoặc chấn tử tiếp điện bởi ống dẫn sóng có kèm theo chấn tử phản xạ, hoặc cặp anten khe đồng pha trên hộc cộng hưởng được kích thích bởi trường của ống dẫn sóng, hoặc anten loa…), đặt

tại tiêu điểm của gương và loại gương parabol trụ với kích thích sử dụng bộ chiếu

xạ là nguồn bức xạ thẳng được đặt dọc theo trục tiêu của gương (như dãy chấn tử nửa sóng, anten khe ống dẫn sóng hoặc thấu kính kim loại gấp khúc…)

Anten loa-parabol gồm một loa hình tháp, ở miệng của nó được gắn với một phần của gương parabol tròn xoay Tiêu điểm của gương được bố trí trùng với tâm của loa Chùm tia hội tụ được bức xạ qua miệng Ưu điểm của loại anten này là chùm tia chiếu xạ không bị phân tán, do đó anten đạt được hiệu suất cao, mức bức xạ phụ nhỏ, dải tần công tác rộng [2]

Anten parabol được dùng nhiều trong thông tin vệ tinh, truyền thông di động mặt đất

1.1.7 Anten mảng (Aray Antenna)

Mỗi anten đơn với những ưu, nhược điểm nhất định nên nhìn chung không thể hội tụ được đủ tất cả các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống truyền thông Một tập hợp các anten rời rạc tạo thành một mảng anten hay hệ anten, gọi là anten mảng Dàn anten mảng có thể được tiếp điện đồng pha nhằm tăng tính định hướng cho anten, hoặc tiếp điện với góc pha biến đổi để có thể quét búp sóng trong không gian, tạo ra hệ anten có xử lí tín hiệu, anten thông minh…

Các phần tử anten mảng có thể được hình thành bằng cách xếp chồng hai hay nhiều phần tử, mỗi phần tử có tần số hoạt động riêng và được tiếp điện nối tiếp để tạo thành một hệ anten hai hay nhiều tần số Các phần tử anten mảng có phân cực quay hai tần số cũng được thiết kế nhờ việc nuôi nối tiếp các phần tử phân cực quay xếp chồng dọc theo đường chéo của mỗi phần tử.[2]

Anten mảng được sử dụng nhiều trong radar quân sự, truyền thông điểm - điểm

1.1.8 Tổng quan các hệ anten độ lợi cao

Bảng 1.1 dưới đây mô tả tóm tắt so sánh các ưu và nhược điểm của từng loại anten độ lợi cao đã trình bày ở trên:

Bảng 1.1: So sánh các hệ anten độ lợi cao

Anten loa

 Cấu tạo đơn giản

 Bức xạ sau (back radiation) thấp

1.2 Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG

(Electromagnetic Band Gap)

1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG

Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (gọi tắt là anten EBG) là một dạng anten phẳng sử dụng vật liệu EBG Lịch sử của có thể được tính từ khi Von-Trentini phát minh ra loại anten dạng hộp cộng hưởng Fabry Perot [5], anten này được tạo thành bằng việc đặt lên bề mặt của một anten loa một tấm lưới kim loại hình 1-8

Hình 1-8: Anten Von-Trentini 1956 Vật liệu EBG có thể hoàn toàn là vật liệu điện môi (dielectric, [6-8]) hoặc kim loại (metal, [9]) và tuần hoàn theo 1, 2 hoặc 3 chiều [10] Chi tiết về định nghĩa vật liệu EBG sẽ được giới thiệu ở phần sau Về bản chất, cấu trúc hộp cộng hưởng đơn giản nhất có thể được coi là một cấu trúc EBG đơn giản

Anten EBG được tạo nên từ anten cơ sở (hay anten nguồn) và được cải thiện đặc tính bởi cấu trúc vật liệu đặc biệt EBG do vậy mà tùy theo cấu trúc vật liệu EBG và dạng anten kích thích, tạo nên các anten EBG khác nhau Do cấu trúc EBG thường có dạng phẳng nên các dạng anten nguồn kích thích thường là anten phẳng (patch antenna), anten khe (slot antenna), [10,11]

1.2.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của anten EBG

* Ƣu điểm: Do có cấu trúc phẳng nên anten EBG có ưu điểm dễ nhận thấy là

gọn nhẹ, dễ chế tạo, thuận tiện cho việc bố trí, lắp đặt, dễ ngụy trang do vậy

mà giảm được kích thước và giá thành Ưu điểm nổi bật của loại anten này là có

độ lợi lớn (có thể đạt tới 30dB) và phân cực đa dạng

* Nhược điểm: Do hoạt động của anten dựa trên nguyên lý hộp cộng hưởng nên

nhược điểm của nó là băng thông thấp Ngoài ra một nhược điểm nữa là khó khăn trong việc phối hợp trở kháng do không biết được đặc tính điện trở vào của anten

1.3 Kết luận chương 1

Anten có cấu trúc đặc biệt EBG là một loại anten mới trên thế giới và hiện vẫn đang được nghiên cứu Nó có khá nhiều ưu điểm so với các loại anten độ lợi cao khác như: cấu trúc phẳng, giá thành thấp, gọn nhẹ, dễ ngụy trang, dễ lắp đặt,

có thể điều chỉnh được búp sóng, Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm cần khắc phục như khó phối hợp trở kháng, băng thông thấp

Với mỗi loại anten thì đều có những ưu điểm và tồn tại những nhược điểm, song các loại anten có cấu trúc đặc biệt với những cấu trúc EBG đa dạng sẽ tạo ra những anten có những đặc tính ưu việt đặc biệt là độ lợi và cấu trúc phẳng Đó cũng chính là lí do căn bản để bản luận văn hướng tới

Chương 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU TRÚC

ĐẶC BIỆT EBG

2.1 Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG

2.1.1 Giới thiệu về vật liệu EBG

Tên gọi vật liệu EBG (Electromagnetic Band Gap) được lấy cảm hứng từ tên gọi của vật liệu tương tự trong quang học là vật liệu dải băng cấm (PBG- Photonic Band Gap)

Một cách tổng quát nhất, người ta định nghĩa vật liệu EBG là loại vật liệu dạng cấu trúc lặp theo một, hai hoặc ba chiều Hoặc có thể định nghĩa cách khác

về vật liệu EBG là những cấu trúc tuần hoàn nhân tạo có khả năng ngăn chặn hoặc hỗ trợ sự lan truyền sóng điện từ trong một dải tần số xác định trước ứng với mọi góc tới, mọi trạng thái phân cực của sóng

Cấu trúc EBG thường được tạo ra bằng cách xếp đặt một cách tuần hoàn các cấu trúc điện môi và vật dẫn kim loại [12] Có thể chia EBG thành 3 loại, tùy theo cấu trúc hình học: dạng khối 3 chiều, cấu trúc mặt 2 chiều, cấu trúc đường truyền một chiều như hình 2-1

Hình 2-1: Minh họa cấu trúc vật liệu EBG

a) 1 chiều, (b) 2 chiều, (c) 3 chiều

Do những ưu điểm về kích thước, chi phí chế tạo mà dạng EBG mặt 2 chiều được quan tâm nhiều nhất Đặc tính quan trọng của EBG là sự tồn tại của một dải tần số có khả năng ngăn chặn sóng điện từ, dải chắn tần số này phụ thuộc vào hằng số điện môi, kích thước hình học của cấu trúc

2.1.2 Định lí Bloch và đồ thị tán sắc

Lí thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng đặc tính điện từ trường truyền trong vật liệu có cấu trúc đối xứng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng (đối với EBG đó chính là đặc điểm tuần hoàn của cấu trúc hình học) Lí thuyết Bloch mô

tả các mode sóng lan truyền trong cấu trúc EBG Trên cơ sở đó có thể rút ra đồ thị tán sắc minh họa đặc tính điện từ của EBG [3]

 Tính đối xứng tịnh tiến (Translational symmetric)

Một cấu trúc được coi là thỏa mãn tính đối xứng tịnh tiến nếu nó không thay đổi gì khi tịnh tiến bởi một vectơ d

 

 r    r d r d

Khi một hệ thống thỏa mãn (2.1) với mọi vectơ dịch chuyển, nó được coi

là có tính tịnh tiến liên tục

Trong thực tế các cấu trúc EBG không có tính đối xứng tịnh tiến liên tục

mà chỉ đối xứng tịnh tiến rời rạc Tức là EBG chỉ thỏa mãn (2.1) với một số

vectơ dịch chuyển nhất định là bội số của một độ dài cố định a (chu kì), a gọi là vectơ tịnh tiến cơ sở:

 r  r a



  r  rR

Do đó, cấu trúc vật liệu tuần hoàn EBG có thể được tạo ra bằng cách lặp lại

nhiều lần một cấu trúc đơn vị (unit cell) như hình 2-2

Hình 2-2: Cấu trúc tuần hoàn (EBG)

Unit cell

r

a

 Định lí Bloch và điều kiện bờ tuần hoàn

Theo lí thuyết Bloch, sóng điện từ có thể lan truyền không bị tán xạ trong môi trường cấu trúc tuần hoàn Xét một cấu trúc có hàm điện môi tuần hoàn:

s r

Phương trình (2.4) thể hiện định lí Bloch Giả thiết có một cấu trúc bất

biến kích thước vô hạn trên phương x, tuần hoàn trên ý nghĩa là thỏa mãn đối xứng khả tịnh tiến liên tục trên phương x, đối xứng khả tịnh tiến rời rạc trên phương y, với vectơ tịnh tiến cơ sở aa.y Theo định lí Bloch, trường trong cấu

trúc được xác định bởi biểu thức:

 y z

y k u

y y k

i e

x x k i e

Với hàm tuần hoàn thỏa mãn u(ys.a,z)u(y,z)

Nếu xét trường trên phương tuần hoàn y, ta có:

y s a z

y k u

a s y y k

i e

x x k i e a s r

y y k i e

x x k

i e

a s y k i

,

 Miền Brillouin

Lí thuyết Bloch cho thấy: trạng thái Bloch với vectơ sóng k y và trạng thái

Bloch với vectơ sóng k y +mb là như nhau (b=2π/a) Điều đó cũng có nghĩa là các tần số mode cũng có tính chất tuần hoàn tương tự cấu trúc:



, Vùng giá trị số sóng (wave number) nhỏ nhất cần xem xét được gọi là miền Brillouni Xét một cấu trúc tuần hoàn theo hai hướng x và y (thỏa mãn tính đối xứng khả tịnh tiến rời rạc theo x, y) như hình 2-3 Vùng tam giác đen chính là miền Brillouin mà trên

đó vectơ sóng k cần được quan tâm Cấu trúc EGB 2 chiều cơ bản đều có miền

Brillouin như vậy [3,13]

 Đồ thị tán sắc (Dipersion diagram): Là hình biểu diễn quan hệ giữa

mode sóng khả hữu và vectơ sóng k, từ đồ thị này có thể thấy tần số mà sóng

điện từ không thể truyền qua (dải chắn điện từ)

Hình 2-3: Cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouin

2.1.3 Các phương pháp mô hình hóa cấu trúc EBG

Nghiên cứu, phân tích cấu trúc EBG người ta thường sử dụng các phương pháp số học đê mô hình hóa cấu trúc EBG:

Trên thực tế để phân tích cấu trúc EBG về mặt định tính thường dựa trên một số phương pháp mô hình (mô hình mạch cộng hưởng LC, mô hình đường truyền) còn phân tích định lượng thực hiện bằng máy tính (một số phần mềm thương mại: CST, MWS, HFSS [3] Đề tài sử dụng phần mềm HFSS làm công

cụ khảo sát

2.1.4 Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten

Ứng dụng của EBG trong thiết kế anten chủ yếu xoay quanh việc lợi dụng các đặc tính điện từ đặc biệt của nó:

+ Phản xạ sóng phẳng với pha phản xạ bằng 0: Đặc tính này dùng để chế tạo các anten kích thước nhỏ gọn

+ Dải tần triệt sóng mặt: Giúp cải thiện hoạt động của anten như tăng độ lợi, giảm thiểu bức xạ đuôi, bức xạ kí sinh

 Ứng dụng đặc tính pha phản xạ:

Trong thiết kế anten hầu hết có sử dụng mặt phẳng kim loại (PEC) để định hướng bức xạ về một hướng, tăng độ lợi của anten Tuy nhiên, mặt phẳng đất phản xạ sóng phẳng tới vuông góc với pha phản xạ 1800 Như vậy, nếu thành phần bức xạ của anten đặt quá gần mặt phẳng kim loại, sóng tới và sóng phản xạ ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu nhau làm giảm hiệu suất bức xạ Để khắc phục tình trạng này, anten phải đặt cách mặt phẳng kim loại ít nhất /4, như vậy sẽ làm tăng kích thước anten [3, 14]

Với cấu trúc EBG có khả năng phản xạ sóng phẳng tới vuông góc với pha phản xạ bằng 0 (tương như mặt dẫn từ lí tưởng PCM) tại một tần số xác định và cho pha phản xạ biến thiên liên tục từ 1800 đến – 1800 đối với các tần số khác (cả PEC và PMC đều không có tính chất này) Với tính chất đó, theo nguyên lí ảnh, cấu trúc EBG sẽ tạo ra dòng điện ảnh đồng pha làm tăng cường hiệu suất bức xạ của anten đặt gần cấu trúc, nhờ đó mà có thể thiết kế anten với kích thước nhỏ gọn hơn

Hình 2-4 dưới đây cho thấy một ví dụ về hệ số phản xạ của một cấu trúc EBG cấu tạo từ các thanh kim loại tròn đặt song song với trường E khi được chiếu tới bởi một nguồn sóng phẳng [12]

(a) (b)

Hình 2-4: Hệ số phản xạ của mẫu vật liệu EBG Nghiên cứu của Yang về đặc tính pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm chỉ ra rằng, có thể thiết kế được anten kích thước nhỏ gọn bức xạ hướng tính mà vẫn phối hợp trở kháng tốt bằng cách sử dụng cấu trúc EBG làm mặt phẳng phản xạ với điều kiện EBG được thiết kế sao cho pha phản xạ nằm trong phạm

vi 900 ± 450 trên dải tần hoạt động [15]

 Ứng dụng tính chất triệt sóng mặt:

Ta đã biết bề mặt kim loại có khả năng hỗ trợ sóng mặt là những sóng điện từ lan truyền trên mặt giao tiếp giữa hai môi trường khác nhau (ví dụ kim loại và không khí) Với anten có sử dụng mặt phẳng đất lí tưởng (PEC) kích thước hữu hạn, sóng mặt sẽ lan truyền tới biên của mặt phẳng đất và tại đó bức

xạ vào không gian Nếu có nhiều anten cùng dùng chung một mặt phẳng đất, sóng mặt có thể gây ra hiện tượng can nhiễu tương hỗ (vật liệu EBG cấu trúc hình nấm có trở kháng sóng mặt rất cao tại lân cận tần số cộng hưởng và do đó ngăn chặn sự lan truyền sóng mặt tại dải tần này) [16,17]

Trong trường hợp dùng mặt phẳng PEC, dòng điện mặt lan truyền tới biên của mặt phẳng PEC sẽ bức xạ vào không gian, giao thoa với trường bức xạ tạo ra các gợn sóng trên hướng bức xạ chính và tăng cường bức xạ đuôi Trong khi đó, nếu dùng cấu trúc EBG làm mặt phản xạ, do có khả năng triệt sóng mặt (được thiết kế trùm lên dải tần hoạt động của anten), đồ thị phương hướng bức xạ trở nên trơn hơn và giảm thiểu bức xạ đuôi Điều này có thể giải thích một cách trực quan, ta biết rằng cấu trúc EBG có trở kháng rất cao trong dải chắn sóng mặt, dòng điện mặt khi đó sẽ bị giới hạn trên các phần diện tích cục bộ xung quanh anten mà không thể lan truyền tới biên của mặt phản xạ, đồng nghĩa với không

Frequency (GHz)

bức xạ vào không gian Tại tần số ngoài dải chắn do ảnh hưởng của sóng mặt, đồ thị phương hướng xuất hiện nhiều búp sóng và bức xạ đuôi được tăng cường

Hình 2-5: Giảm sóng bề mặt với bề mặt trở kháng cao EBG

(a) không sử dụng EBG, (b) sử dụng EBG

Trong thực tế nghiên cứu, các cấu trúc tuần hoàn khá đa dạng cho phép ta

sử dụng nó kiểm soát sự lây lan của sóng điện từ, do đó nó có thể được ứng dụng tiềm năng trong rất nhiều lĩnh vực điện từ

Trong lĩnh vực anten chúng ta quan tâm đặc biệt, việc sử dụng cấu trúc tuần hoàn EBG làm tăng độ định hướng cho anten đồng thời cũng làm kích thước của anten nhỏ gọn hơn Sự đa dạng của cấu trúc EBG sẽ tạo ra nhiều đặc tính ưu việt ngoài các đặc tính trên cho các anten như khả năng điều chỉnh búp sóng như hình 2-6 [18], sự linh hoạt trong phân cực, sử dụng nhiều tần số…

Hình 2-6: Ứng dụng dải cấm để điều khiển búp sóng

2.2 Cấu tạo của anten EBG

 Cấu tạo chung

Về cơ bản cấu tạo của anten có cấu trúc đặc biệt EBG (gọi tắt là anten EBG) bao gồm cấu trúc vật liệu EBG1, EBG2, EBGn và một anten nguồn cơ bản (chẳng hạn là một diole) như hình 2-7

Hình 2-7: Mô hình tổng quát anten EBG

 Anten nguồn phát

Bất cứ loại anten nguồn phát nào cũng có thể được sử dụng để làm anten nguồn cho anten EBG Tuy nhiên, do có dạng phẳng và cấu trúc mỏng nên anten nguồn thường được dùng nhất là anten vi dải (microstrip antenna) như hình 2-8, anten khe (slot antenna) [19] như hình 2-9, anten Loa (Horn antenna) hay đơn giản hơn là một dipole

Hình 2-8: Anten nguồn cho anten EBG: patch antenna

Metallic ground plane

Hình 2-9: Anten nguồn cho anten EBG: slot antenna

2.3 Nguyên lý hoạt động của anten EBG

2.3.1 Mô hình anten EBG

Anten EBG có thể được coi là một dạng của anten dạng hộp cộng hưởng Fabry Perot hay anten Fabry Perot Trong mô hình này, các cấu trúc EBG1 và EBG2 có thể được thay thế tương đương bởi tương ứng các bề mặt bán phản xạ PRS1 và PRS2 (PRS: Partially Refelection Surface) đặt cách nhau một khoảng D, chính là khoảng cách giữa hai cấu trúc EBG, anten nguồn phát được đặt giữa hai bản bán phản xạ như hình 2-10 Mô hình trên được đặt tên theo nhà vật lý người Pháp Fabry Perot [5,20] Để tránh nhầm lẫn, từ đây chúng ta đồng nhất khái niệm anten EBG và anten Fabry Perot

Hình 2-10: Mô hình anten EBG

Bề mặt bán phản xạ PRS (Partially Reflection Surface): là tên gọi chung

cho các cấu trúc dạng phẳng có đặc tính truyền và phản xạ với các hệ số truyền

(t) và hệ số phản xạ (r) tương ứng phụ thuộc vào tần số sóng điện từ chiếu vào