Thiết kế dãy AnTen viI dải băng tần 2.4 GHZ

Chương 1 ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN VI DẢI Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson và được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t << λ 0 , λ 0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất nhỏ ( h << λ 0 , thường thì 0.003 λ 0 < h < 0.05 λ 0 ). Patch của anten vi dải được thiết kế để có đồ thị bức xạ cực đại. Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch. Bức xạ end-fire cũng có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động. Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng λ 0 /3 < L< λ 0 /2. Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền như hình 1.1. SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 1 Hình 1.1 – Anten vi dải Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2< ε r < 12. Những lớp điện môi được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện môi lớn hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn. Tuy nhiên vì sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn. SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 2 1.1.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác. Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular ring). Hình 1.2 – Các dạng anten vi dải thông dụng. Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải. • Anten patch vi dải Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế. Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một dipole. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi. SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 3 • Dipole vi dải Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số L/W. Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau. Anten dipole vi dải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể. Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải. • Printed Slot Antenna Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của một đế được nối đất (ground substrate). Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến, Anten loại này bức xạ theo hai hướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe. • Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA) MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE. Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 4 trên anten. Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire. 1.1.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA) Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác. Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz. MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục.  Ưu điểm: • Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng. • Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt. • Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản. • Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten. • Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền. • Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng. • Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân.  Khuyết điểm: • MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai. • Một số MSA có độ lợi thấp. • Khả năng tích trữ công suất thấp. SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 5 • Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất. • Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối. MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng. Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng.  Một số ứng dụng của MSAs: • Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường được dùng. • Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ. • Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị • Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng. • GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA. 1.1.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method) Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một đường truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến patch kim loại của anten vi dải. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số kỹ thuật cấp nguồn mới cho anten vi dải đã được nghiên cứu và phát triển. Hiện nay các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-coupling), ghép gần (proximiti-coupling). SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 6 Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau. Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn cong, cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt. Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đồ thị bức xạ của anten vi dải. việc giảm thiểu bức xạ rò và những ảnh hưởng của nó lên đồ thị bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay không? 1.1.3.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch. Tuy nhiên, kỹ thuật này có vài hạn chế. Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch ( ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với khoảng vài mm). Hình 1.3 – Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải. 1.1.3.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 7 Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền tải công suất cao tần. Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với ground plane. Ưu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng. Tuy nhiên cách này có nhược điểm là: Thứ nhất, vì dùng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng. Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi. Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của probe. Kết quả là bức xạ rò và điện cảm của probe tăng lên. Hình 1.4 – Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 1.1.3.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 8 Hình 1.5 – Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạ không cần thiết của đường microstrip line. Cấu trúc bao gồm 2 lớp điện môi. Patch antenna được đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đường truyền feed line ở lớp điện môi dưới. Thông thường thì miếng điện môi ở trên có hằng số điện môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắm mục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten. Tuy nhiên, phương thức cấp nguồn này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten. Phương pháp cấp nguồn này thì cho băng hẹp (narrow bandwith). 1.1.3.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled Cấu trúc này gồm 2 lớp điện môi, miếng patch antenna nằm ở miếng điện môi trên, đường feed line ở giữa 2 lớp điện môi. Phương thức này có ưu điểm cao đó loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feed line) và cho băng thông rộng (khoảng 13%). SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 9 Hình 1.6 – Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ. Phương pháp này về bản chất là ghép điện dung giữa 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 ở đầu cuối hở của đường truyền. Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi thứ hai cũng 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. 1.1.4 Băng thông của MSA Như ta đã biết, hạn chế lớn nhất của MSA là độ rộng của băng thông. Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ. đối với các anten phân cực tròn, BW được tính theo hệ số quanh trục (AR). BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng của anten nằm trong một giới hạn cho trước. BW của MSA tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q: (1-1) Với VSWR được xác định bởi hệ số phản xạ Γ: (1-2) Hệ số phản xạ Γ đánh giá tín hiệu phản xạ tại điểm feed của anten, Γ được xác định bởi trở kháng vào Z in của anten và trở kháng đặc tính Z o của feedline: SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 10 1VSWR BW Q VSWR − = 1 | | 1 | | VSWR + Γ = − Γ [...]... của anten vi dải Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự như là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ số điện môi tương đối thấp Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten vi dải. .. cách tác động vào quá trình thiết kế • Giúp ta đánh giá một cách chính xác các ưu khuyết điểm của anten bằng cách nghiên cứu các thông số của nó • Cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết kế sau này Mô hình đường truyền sóng xem một anten vi dải có patch hình chữ nhật như là một đoạn của đường truyền vi dải Đây là mô hình đơn giản... xạ và các tần số cộng hưởng thấp hơn Hình 1.9 – Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng miếng patch 1.2.1.3 Bài toán thiết kế Dựa trên những công thức đơn giản ε r đã được mô tả, một quy trình tính toán thiết kế cho anten vi dải hình chữ nhật được vạch ra Giả sử ta đã có những thong số ban đầu: hằng số điện môi , tần số hoạt động f0, và chiều cao của lớp điện môi nền h Ta có trình tự thiết kế như sau:... thẩm Tại tần số cộng hưởng năng lượng điện và từ bằng nhau Khi đó năng lượng tích lũy: WT = (1-30) hε h ∫∫ | E 2 |dS 2 s 1.1.6.5 Trở kháng vào Hầu hết tất cả các anten vi dải phải được phối hợp trở kháng chuẩn của nguồn và tải nên việc tính toán trở kháng vào của anten là rất quan trọng Anten vi dải có thể được cấp nguồn từ cáp đồng trục, đường truyền vi dải hoặc ống dẫn sóng Đối với anten vi dải được... các loại anten vi dải có cấu hình khác cũng có thể được tượng trưng bởi các khe tương ứng cùng loại SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 14 1.1.6 Trường bức xạ của anten vi dải Trường bức xạ từ anten vi dải do dòng từ bề mặt giống như bức tường dọc theo chu vi patch Ở một phương pháp khác nhưng kĩ hơn, trường bức xạ được xác định từ dòng điện bề mặt trên miếng patch dẫn điện của anten vi dải Cả... số kết quả tính toán và thiết kế của mô hình toàn sóng Trong đó, chúng ta chỉ xem xét dạng anten vi dải phổ biến và thực tế nhất là patch hình chữ nhật 1.2.1 Mô hình đường truyền (Transmission line) Mô hình đường truyền là dễ nhất cho tất cả các loại nhưng nó cho kết quả ít chính xác nhất vì nó thiếu tính linh hoạt Tuy nhiên, nó cho một sự hiểu biết tương đối rõ ràng về tính vật lý Một microstrip anten. .. đương nhau Sự bức xạ của anten vi dải đôi lúc được xem như là sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch Đồ thị bức xạ của một đầu hở của đường truyền vi dải tương tự như đồ thị bức xạ của một dipole Hertz Phương pháp này cũng được dùng để tính toán sự ảnh hưởng của bức xạ lên hệ số phẩm chất Q của khung cộng hưởng vi dải Lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã cho ta thấy rằng ở tần số cao, suy hao do bức... εr Giả thiết: Cho ,f0 và h Xác định W,L Các bước thiết kế: Bước 1: Để đạt được bức xạ hiệu quả, chiều rộng của patch được tính theo công thức: W= 1 2 f 0 µ 0ε 0 2 c = ε r + 1 2 f0 SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 2 ε0 +1 (1-44) 26 Với c : vận tốc ánh sáng , c = 3×108m/s f0 : Tần số hoạt động của anten : Hằng số điện ε r môi Bước 2: Xác định hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải theo... (θ , φ ) |2 + | Fφ (θ , φ ) |2 (1-37) :Hàm biên độ F (θ , φ ) trường SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn – Phạm Duy Bình 20 1.2 CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích anten vi dải Mỗi phương pháp đưa ra một mô hình gần đúng cho anten để phân tích Mô hình phổ biến nhất là mô hình đường truyền (microstrip line), mô hình hốc cộng hưởng (cavity model) Việc đưa ra các mô hình... Hằng số điện môi hiệu dụng cũng là hàm của tần số Khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đường sức điện trường tập trung trong nên điện môi Vì vậy đường truyền vi dải sẽ gần giống với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hằng số điện môi hiệu dụng tiến tới giá trị của hằng số điện môi nền hơn Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu ε dụng là cơ bản Tại tần số trung gian các giá trị của nó bắt đầu