Nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc bề mặt anten vi dải trong lĩnh vực tương thích điện từ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- oOo --- TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC BỀ MẶT ANTEN VI DẢI TRONG LĨNH VỰC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Niên khoá : 2013 - 2015 GVHD : PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng, tháng 01 năm 2014 1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ CÁC TỪ VIẾT TẮC MỞ ĐẦU Trong hệ thống thông tin vô tuyến, chất lượng tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống anten thu phát, đặc biệt là anten vi dải với đặc điểm kích thước nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, độ lợi cao được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại. Hiện nay hệ thống anten vi dải đa số sử dụng truyền nhận dữ liệu trong dải tần (200Hz - 10 GHz), các hệ thống anten đặt cùng chung một môi trường có thể gây nhiễu lẫn nhau nếu sử dụng cùng dải tần số. Việc các thiết bị sử dụng trong một dải tần rộng hoặc sử dụng cùng một lúc tại nhiều tần số khác nhau ngày càng phổ biến, do đó việc nghiên cứu để thiết kế các anten vi dải có cấu trúc bề mặt đáp ứng được các yêu cầu nói trên vô cùng khó khăn và phức tạp. Với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc bề mặt anten vi dải trong lĩnh vực tương thích điện từ” được trình bày trong tiểu luận sẽ giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan hơn về việc nghiên cứu, thiết kế mô phỏng anten vi dải dùng trong hệ thống thông tin vô tuyến. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trước năm 1979, nhiều nước trên thế giới vẫn chưa coi trọng về vấn đề tương thích điện từ và lúc đó một số nhà sản xuất thiết bị điện, điện tử, tin học đã tự đưa ra các quy định về tương thích điện từ trong khi sản xuất các sản phẩm của mình. Bắt đầu từ năm 1979, Ủy ban về thông tin liên lạc của Hoa Kỳ (FCC) đã đưa ra các quy định đầu tiên về tương thích điện từ và cho đến nay Hoa Kỳ và các nước khác đặc biệt là các nước Châu Âu đã ban hành đầy đủ các quy định về Tương Thích Điện Từ (TTĐT). Hiện nay các sản phẩm điện, điện tử, tin học khi sản xuất và phân phối trên thị trường trong nước và ngoài nước đều phải tuân thủ các quy định về TTĐT. Từ vai trò quan trọng của tính TTĐT đối với các sản phẩm, đặc biệt là đối với các mạch tích hợp có mật độ tích hợp ngày càng cao và tốc độ xử lý của mạch ngày càng nhanh, việc nghiên cứu về TTĐT luôn là vấn đề phải được đặc biệt quan tâm. Như vậy mục đích của TTĐT là mang lại sự tương thích về hoạt động của một hệ thống nhạy cảm với môi trường điện từ của nó, các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra bởi một phần của hệ thống thiết bị hoặc bởi nhiễu từ bên ngoài. Chương này sẽ trình bày một cách tổng quát về khái niệm tương thích điện từ, mục đích, mô hình cơ bản, các hiệu ứng nhiễu, các kiểu bức xạ cũng như ảnh hưởng của nó đến các thiết bị điện tử trong lĩnh vực tương thích điện từ. Ngoài ra, chương này cũng nêu ra một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực tương thích điện từ như: các đường dây truyền dẫn, phối hợp trở kháng, các phương pháp kiểm tra và đưa ra mô hình chung để giải quyết các bài toán liên quan đến tương thích điện từ. 1.2 NGUYÊN LÝ CƠ SỞ CỦA TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 1.2.1 Khái niệm về tương thích điện từ Tương thích điện từ (TTĐT) là một thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà các thiết bị điện, điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong một môi trường có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh chúng tác động vào. Để thực hiện được điều này, chúng ta phải dùng một kỹ thuật như là một phương tiện cho phép tránh được những hiệu ứng không mong muốn mà sự nhiễu loạn trên có thể gây ra. Lĩnh vực TTĐT cũng chỉ rõ toàn bộ các kỹ thuật dùng để xử lý các đặc tính trên. Định nghĩa 3 kiểu cơ sở trong việc tác động qua lại giữa các hệ thống: - Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên các thiết bị khác, hiện tượng giao thoa bên trong của cùng một hệ thống. - Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên các thiết bị. - Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường. Lĩnh vực TTĐT bao gồm các vấn đề sau: - Sự phân tích các cơ cấu cho ra những hiệu ứng nhiễu. - Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc do truyền dọc theo các đường dây kim loại nối với các thiết bị. - Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện tử, tin học. - Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép. - Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành. - Dự đoán các tình huống xảy ra nhiễu mà khi đó một số thiết bị sẽ không vận hành theo đúng tiêu chuẩn. - Các phương pháp lọc nhiễu tần số hoặc thời gian. - Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng của nhiễu. - Tổng hợp các thiết bị dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. - Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận được đối với các máy phát và máy thu. - Hiệu chỉnh quá trình tiếp theo để thực hiện các biện pháp tiếp theo. Những vấn đề đã giới thiệu ở trên chưa phải là đã đầy đủ vì TTĐT là một lĩnh vực rất rộng, yêu cầu đặt ra là phương thức xử lý các hiệu ứng không mong muốn (tức là tìm ra cách để tránh hoặc hủy bỏ nó). Như vậy, mục đích của TTĐT là đem lại sự tương thích về hoạt động của một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó, các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra hoặc bởi một phần của hệ thống thiết bị (Ví dụ: nguồn điện sử dụng tạo ra nhiễu trong một dải tần số rộng) hoặc bởi nhiễu từ môi trường bên ngoài. Trong những năm gần đây, hầu như các thành phần và hệ thống điện tử đều được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực, từ các hệ thống giải trí truyền thống cho đến các hệ thống tiên tiến nhất như thông tin, định vị hai chiều … Công nghiệp điện tử ngày càng phát triển và việc nghiên cứu sự tương thích của trường điện từ ngày càng trở nên bức thiết, tức là các hệ thống và thành phần của nó ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống và thành phần khác như thế nào. TTĐT được phát triển từ nhiều năm nay và đã trở thành một lĩnh vực chuyên ngành trong việc nghiên cứu ứng dụng vào các hệ thống điện, điện tử, tin học. Nhiều ứng dụng của TTĐT đã được phát triển. Ngày nay khi công nghiệp điện tử, nhất là công nghệ tích hợp vi mạch ngày càng phát triển thì việc nghiên cứu TTĐT của của trường điện từ ngày càng trở nên cấp thiết và trở thành một lĩnh vực chuyên ngành trong việc nghiên cứu ứng dụng vào các hệ thống điện, điện tử, tin học. Hiện nay, TTĐT còn được ứng dụng nhiều vào lĩnh vực công nghệ tự động. Tóm lại, TTĐT là khả năng của một hệ thống điện tử mà chức năng hoạt động của nó trong môi trường trường điện từ không ảnh hưởng, không gây nhiễu đến các hệ thống khác cùng hoạt động trong môi trường đó. Đó là một hệ thống điện tử phải không bị nhiễu từ các tín hiệu bức xạ của các hệ thống khác, không gây nhiễu làm ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống khác cũng như không gây nhiễu với chính hoạt động của bản thân nó. 1.2.2 Mô hình cơ bản của TTĐT Mô hình cơ bản của TTĐT được minh họa ở hình 1.1: MÔI TRƯỜNG BÊN NGOÀI THIẾT BỊ B THIẾT BỊ A Hình 1.1. Mô hình cơ bản của TTĐT. Mô hình cơ bản của TTĐT gồm các thiết bị A và B cùng hoạt động trong cùng một môi trường. Chúng ta không mong muốn A gây nhiễu cho B và ngược lại, đồng thời cũng không mong muốn môi trường (ví dụ như máy phát radio) là nguyên nhân bên ngoài tác động vào làm cho cả thiết bị A và B hoạt động không chính xác. Đó là vấn đề TTĐT. Như vậy, khái niệm chính trong TTĐT là mối quan hệ giữa: "Nguồn phát - Đường dẫn - Máy thu" (Source - Path - Receiver). Chúng được mô tả như sau: NGUỒN PHÁT ĐƯỜNG DẪN MÁY THU Hình 1.2. Nguồn phát - Đường dẫn - Máy thu Có 3 thành phần cơ bản trong TTĐT: Nguồn phát, đường dẫn, máy thu. Máy thu có thể có hai loại khác nhau: - Loại chủ động: Máy thu thanh hoặc máy thu hình. - Loại thụ động: Máy vi tính hoặc một số thiết bị điện tử khác. Nguồn phát chính là nơi sinh ra phát xạ điện từ và sau đó được truyền đi trên đường dẫn đến máy thu. Tại máy thu nếu mức năng lượng điện từ này đủ lớn nó sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của máy thu. Một số đề xuất để giải quyết vấn đề TTĐT trong mô hình này: - Khử năng lượng tại nguồn phát (nghĩa là ta có thể giảm tổng năng lượng phát xạ). - Xác định đường truyền dẫn cho bản thân thiết bị, đường dẫn này phải được kiểm soát thông qua các dây dẫn hoặc bức xạ ra không gian. - Xác định đặc tính của máy thu và làm cho nó có thể tăng khả năng chống nhiễu hơn. Vấn đề chính là quan tâm đến năng lượng của máy thu với các đặc tính về sự miễn nhiễm và độ nhạy của nó. Trong công nghiệp tự động ta sử dụng sự miễn nhiễm giới hạn, trong khi ở các lĩnh vực khác đề cập đến những quy tắc TTĐT dùng khái niệm tính nhạy cảm. Việc nghiên cứu TTĐT không chỉ cần thiết đối với những hệ thống phức tạp mà những vấn đề về TTĐT vốn đã xuất hiện trong các chuyển mạch, thậm chí trong vi xử lý… mà TTĐT còn xuất hiện khi các thành phần đó hoạt động và giao tiếp với môi trường bên ngoài. Khái niệm thành phần: Thành phần là một thực thể mà có thể mô tả được với kích thước vật lý và khối lượng. Ví dụ: Transistor là một thành phần, bộ điều khiển động cơ là một thành phần. Chúng ta có thể mô tả được kích thước, khối lượng của Transistor và có thể mô tả một vài tính chất khác. Chúng ta sẽ lắp ráp các thành phần đó lại. Transistor được làm từ các vật liệu bán dẫn, chất dẻo và kim loại. Các bộ điều khiển động cơ thì được làm từ các board mạch in, các thành phần tích cực hay thụ động và các đầu ghép nối. ` Hình 1.3. Hệ thống và các thành phần. Khái niệm hệ thống: Hệ thống là sự kết hợp, sự tương tác giữa một thành phần này với một thành phần khác và với môi trường bên ngoài. Đôi khi ta cũng sử dụng khái niệm hệ thống con. Đây là một phần của hệ thống, trong nhiều trường hợp nó được dùng để xác định bản chất vật lý của các thành phần, đôi khi hệ thống con này cũng được dùng để xác định các hệ thống đặc biệt cụ thể trong toàn bộ hệ thống. 1.2.3 Các hiệu ứng nhiễu điện từ Các hệ thống điện, điện tử thường chịu ảnh hưởng bởi các hiệu ứng nhiễu điện từ, các hiệu ứng này thể hiện một cách khác nhau tùy theo bản chất của nhiễu, phần tử nhạy cảm, ngưỡng năng lượng phá hủy, các bộ nối giữa các mạch, các kiểu ghép điện từ ở thiết bị. Lĩnh vực khoa học về TTĐT sẽ xử lý các vấn đề trên bằng cách: - Đặc tính hóa nguồn nhiễu, xác định các trường nhiễu có thể gây bức xạ. - Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ thống bị nhiễu. - Mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên, từ đó tìm các giải pháp kỹ thuật bảo vệ. Việc nghiên cứu các chế độ hoạt động của các thiệt bị điện tử, thử nghiệm sự nhạy cảm, tiến hành đo các bức xạ khi chúng được đặt trong môi trường trường điện từ. Cần thiết phải có phương pháp và công cụ thử nghiệm thích hợp. Sự khó khăn của việc phân tích điện từ là do sự phức tạp của mạng kết nối, mạch gồm nhiều tầng và chứa các phần tử không tuyến tính (các Transistor, cổng…) Việc mô phỏng được thực hiện trong miền thời gian với mục đích có thể đưa vào các phần tử không tuyến tính. Việc mô phỏng này được tiến hành trên các phương trình Maxwell trong miền thời gian để nghiên cứu trường vùng xa trong một thể tích nhất định trước. Kết quả mô phỏng tính toán trong miền thời gian có thể được thể hiện trong miền tần số bằng cách chuyển từ miền thời gian về miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier, phương pháp mô phỏng này được gọi là mô phỏng hỗn hợp thời gian và tần số. 1.2.4 Trường điện từ và các công cụ thử nghiệm mạch tích hợp a. Về lý thuyết Việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến trường điện từ như bức xạ của anten, sự truyền sóng, sự nhiễu xạ bởi các chướng ngại vật… là việc tập trung nghiên cứu giải các phương trình của hệ phương trình Maxwell, (do nhà bác học nổi tiếng James Clerk MAXWELL (1831-1879) công bố năm 1870) Để giải các phương trình mô tả những vấn đề phức tạp, chúng ta có thể áp dụng một trong các phương pháp phân tích như: phần tử hữu hạn (FE: Finite Element), sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD: Finite Difference Time Domain), ma trận đường truyền (TLM: Transmission Line Matrix)… Việc áp dụng các phương pháp trên để tính toán tác động qua lại của trường điện từ với những đối tượng có hình thể bất kỳ đã trở thành một trong những đề tài rất được quan tâm bởi các nhà nghiên cứu về lĩnh vực TTĐT trên cơ sở dựa vào những thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học trong những năm gần đây. Về mặt lý thuyết, căn cứ vào các tài liệu và thông tin thu thập được cho thấy nhiều nhà khoa học ngành Điện tử Viễn thông của các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Canada… đã tập trung nghiên cứu về phương pháp TLM và các ứng dụng của nó, nhất là trong khoảng từ năm 1995 cho đến nay. b. Về các công cụ thử nghiệm Về các công cụ thử nghiệm, trong giai đoạn hiện nay trên thế giới đã xuất hiện một số công cụ hoặc các phương tiện để đo nhiễu điện từ phát ra bởi các linh kiện điện tử. Ứng với mỗi công cụ sẽ có một phương pháp đo riêng. Các phương pháp đo TTĐT bao gồm: - Đo bức xạ điện từ bằng tế bào TEM. - Đo bức xạ điện từ bằng đầu dò từ trường. - Đo dòng cao tần trên mass (GND và đo nhiễu điện từ dẫn trên ngõ vào/ra của IC bằng đầu dò. - Đo nhiễu điện từ dẫn bằng lồng Faraday. - Đo bức xạ điện từ bằng đầu dò từ tính mạch in ba lớp. 1.3 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN TTĐT 1.3.1 Xu hướng phát triển công nghệ mạch tích hợp và các hệ thống tự động Để đáp ứng các nhu cầu về phát triển công nghệ thì trong những năm gần đây, các mạch tích hợp cũng như các hệ thống tự động đã phát triển một cách nhanh chóng. Các loại mạch tích hợp Si lần lượt ra đời: MSI, LSI, VLSI, ULSI. Tuy nhiên, so với các mạch tích hợp Si trên thì các mạch tích hợp GaAs loại VHSI còn phức tạp hơn nhiều bởi mật độ tích hợp và tốc độ chuyển mạch ngày càng tăng. Các hệ thống điện tử ngày nay được tích hợp bằng những vi mạch với tốc độ rất cao, nhiều chức năng, nhiều module và các thiết bị chuyển mạch. Những thiết bị điện tử này làm tăng thêm nhiều hơn nữa các chức năng điều khiển hệ thống. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng là việc lắp ráp và tích hợp các thành phần sao cho việc bức xạ năng lượng không ảnh hưởng đến các nguồn năng lượng bên ngoài. Đây là kết quả không dự đoán trước được trong các hệ thống này. Để giải quyết TTĐT trong các hệ thống tự động thì người ta phải đưa ra các tiêu chuẩn để đánh giá hệ thống đó. Ví dụ, ở Châu Âu và Canada thì yêu cầu về độ bức xạ năng lượng, ở Mỹ thì người ta lại đưa ra bức xạ năng lượng phải theo nguyên tắc của FCC. Tuy nhiên, chung quy lại đòi hỏi các thiết bị đó phải có khả năng miễn nhiễm từ các bức xạ khác. Đồng thời, nếu bản thân thiết bị đó sinh ra bức xạ thì năng lượng bức xạ đó phải nhỏ hơn ngưỡng cho phép được đề cập trong các tiêu chuẩn đánh giá về TTĐT. 1.3.2 Đường dây truyền dẫn a. Các loại dây truyền dẫn đặc trưng Đường dây truyền dẫn được sử dụng để truyền năng lượng từ máy phát đến anten. Có rất nhiều loại dây truyền dẫn và chúng ta chỉ thảo luận về những loại dây đặc trưng nhất. Tất cả chúng đều có những chức năng và đặc tính tương tự nhau. Tuy nhiên cấu trúc thì rất khác nhau và mỗi loại có những yêu cầu cũng rất khác nhau. ANTEN Đường Truyền MÁY PHÁT Suy Hao Hình 1.4. Đường dây truyền dẫn kết nối từ máy phát đến anten. Có hai loại đường dây truyền dẫn chính, dây trần và dây đồng trục. Có nhiều điểm khác nhau quan trọng giữa hai loại dây truyền dẫn này: - Dây trần có dạng giống hình cái thang với phần dây dẫn có vị trí đối diện với dây khác và bộ phận cách điện nằm giữa chúng. Thuận lợi của loại này là việc kết nối được thực hiện dễ dàng, không cần phải có các kết nối đặc biệt nào, giá thành rẻ và độ suy hao thấp. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế sau: do cấu trúc của nó nên khả năng chống nhiễu bên ngoài của nó thấp, đồng thời nó không có khả năng ngăn chặn các năng lượng bức xạ từ các đường dây truyền dẫn khác. - Cáp đồng trục thì khắc phục được một số nhược điểm trên, tuy nhiên giá thành lại cao và yêu cầu cần phải có các kết nối đặc biệt bao gồm các kết nối hình trụ được bó chặt vào cáp đồng trục để nó có thể kết hợp được với các kết nối khác. Một hạn chế của cáp đồng trục đó là độ suy hao cao nên dẫn đến giảm công suất được truyền từ anten đến máy thu cũng như từ máy phát đến anten. Ngoài ra tốc độ truyền sóng cũng nhỏ hơn tốc độ truyền sóng trong không gian tự do, điều này có nghĩa rằng chiều dài bước sóng bên trong cáp là khác nhau so với trong không gian tự do, do đó bước sóng trong cáp cũng có phần ngắn hơn. Cáp đồng trục được bao bọc bởi lớp vỏ cách điện với các nguồn bên ngoài để tránh các bức xạ từ bản thân nó ra bên ngoài, trong khi dây trần có cấu trúc đơn giản gồm 2 dây dẫn nằm hai bên của lớp cách điện. Điều này cho thấy tại sao dây trần lại không cho hiệu quả chống nhiễu tốt như cáp đồng trục. Hình 1.5. Truyền dẫn bằng dây trần. Hình 1.6. Truyền dẫn bằng cáp đồng trục. b. Chức năng của các đường dây truyền dẫn Việc sử dụng các đường dây truyền dẫn là phương pháp cơ bản để truyền năng lượng từ máy phát (hay bộ khuếch đại, nguồn RF) đến anten, bộ chuyển đổi hoặc một vài loại tải RF khác. Một vấn đề quan tâm khác cũng rất quan trọng đó chính là việc phối hợp trở kháng từ các đường dây truyền dẫn đến tải. Để làm rõ khái niệm về truyền công suất cực đại, đó là việc phối hợp giữa điện trở tải và điện trở nguồn. Điều này vẫn đúng đối với các đường dây truyền dẫn và năng lượng RF, trừ khi điện trở được thay bằng trở kháng. Khi thực hiện được phối hợp trở kháng giữa điện trở tải và điện trở nguồn thì công suất truyền đi sẽ đạt giá trị cực đại. ANTEN Đường Truyền MÁY PHÁT Trở kháng đường truyền Zc Trở kháng Anten Za Hình 1.7. Truyền năng lượng từ máy phát đến anten thông qua dây dẫn. Năng lượng truyền đạt cực đại khi Z a = Z c và khi đó công suất phản xạ bằng 0. Trong thực tế số lượng lớn năng lượng sẽ bị phản xạ, do đó sẽ không có thành phần thực tế nào hoàn hảo cả. Công thức tính hệ số phản xạ Γ = Za − Zc / Za + Zc Γ là: (1.3) Trong đó Za : Trở kháng tải. Zc : Trở kháng đặc tính đường dây truyền dẫn. Tỷ số sóng đứng (SWR) có liên quan đến hệ số phản xạ: SWR = (1+ | Γ |) / (1− | Γ |) (1.4) Cũng từ các ứng dụng thực tế, hệ số phản xạ cao có thể phá hủy các thiết bị kiểm tra thực tế hoặc ít ra cũng làm cho các kết quả bị sai lệch. c. Trở kháng đặc tính của đường dây truyền dẫn Trở kháng đặc tính của đường dây truyền dẫn không đơn thuần chỉ là một điện trở mà là một quan hệ phức tạp giữa điện kháng của các thành phần và tần số của tín hiệu RF. Một thành phần khác, đó là tốc độ truyền của tín hiệu dọc theo đường dây, trong không khí tốc độ truyền bằng tốc độ ánh sáng trong chân không, trong đường dây thì tốc độ truyền chỉ là một phần của tốc độ ánh sáng. Tốc độ truyền thông thường (gọi là hệ số tốc độ so với tốc độ ánh sáng) là khoảng 60% đến 80% tốc độ ánh sáng. Trở kháng đặc tính của các đường dây thông thường cũng khoảng từ đồng trục và khoảng 50Ω đến 100Ω đối với cáp 300Ω đối với loại dây trần hay dây xoắn đôi. Các đặc tính khác của dây trần so với cáp đồng trục: - Dây trần có độ suy hao thấp do dễ dàng kết nối. - Cáp đồng trục có giá thành cao và yêu cầu các đầu nối đặc biệt, điều này gây khó khăn cho việc lắp đặt. Những đầu nối này là cần thiết, tuy nhiên phải giữ được chính xác hình dạng của nó để đảm bảo trở kháng đặc tính của đường dây không đổi. Đặc điểm của cáp đồng trục là có một lớp vỏ cách điện với các nguồn bên ngoài để tránh các bức xạ từ bản thân nó ra bên ngoài, trong khi đó dây trần có cấu trúc rất đơn giản gồm hai dây dẫn nằm hai bên của lớp cách điện, điều đó ta thấy rằng tại sao các dây trần lại không chống được nhiễu từ các nguồn năng lượng bên ngoài. Việc chọn loại cáp nào cũng rất quan trọng, nó phụ thuộc rất nhiều vào các hệ số, gồm có: hệ số suy hao, kích thước vật lý và trở kháng… của mỗi loại cáp. Thông thường khi làm việc theo chuẩn TTĐT thì trở kháng của cáp từ 50Ω đến 75Ω . 1.3.3 Lớp vỏ bọc Lớp vỏ bọc là một khái niệm đơn giản và trong lĩnh vực TTĐT, nó có hai chức năng chính: - Giữ phát xạ ở bên trong lớp vỏ. - Giữ các nguồn năng lượng bên ngoài ở ngoài lớp vỏ. Vai trò của lớp vỏ bọc là cách ly trường điện từ khỏi các thành phần đang hoạt động. Lớp vỏ bọc được dùng để chống lại cả điện trường lẫn từ trường. Hiệu quả của lớp vỏ bọc (viết tắc SE - Shielding Effectiveness) được thể hiện bằng độ cách ly của trường, người ta đo độ cách ly với các độ mạnh khác nhau của trường bằng đơn vị dB. SE được tính bằng tỷ số giữa cường độ trường ở bên này của lớp vỏ bọc và cường độ trường bên kia lớp vỏ bọc. Các loại vỏ tốt thông thường phải có SE ≥ 100 dB. Thách thức ở đây chính là để đạt được các mức SE cao, đặc biệt ở các tần số cao, lớp vỏ bọc phải không có bất kỳ một khuyết tật nào như không có bất kỳ lỗ trống, khe hở nào. Nếu lớp vỏ bọc xuất hiện các khe hở thì hiệu quả bọc chắn sẽ giảm đi rất đáng kể. Một phức tạp khác nữa là cần phải có nhiều kinh nghiệm và thời gian hơn bởi vì sự gia tăng về mặt tốc độ của các máy tính đòi hỏi phải có sự bảo vệ cho các thiết bị ngoại vi, cáp nguồn và các thiết bị I/O. Quá trình thực tế xảy ra trong lớp vỏ bọc bao gồm hai phần chính sau: - Sự phản xạ của các trường tới. - Sự hấp thụ năng lượng bên trong các vật liệu của lớp vỏ. Nguồn năng lượng ở phía bên trái của lớp vỏ bọc và thiết bị cần bảo vệ nằm ở bên phải của lớp vỏ. Đối với lớp vỏ bọc chắn trường điện từ (ở các tần số thấp), phản xạ là nguyên nhân chính của SE và ở các tần số cao sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng bên trong các vật liệu. Thông số chính trong thiết kế lớp vỏ bọc là độ dày của vật liệu. Cần biết rằng điều này rất quan trọng đối với độ dày của bề mặt ở các tần số đặc biệt liên quan. Nếu độ dày của vật liệu lớn hơn hoặc bằng độ dày của bề mặt thì sẽ có sự suy hao bên trong vật liệu. 1.3.4 Kiểm tra tương thích điện từ a. Các quy tắc về TTĐT Các vấn đề TTĐT thông thường có thể gồm sự kết hợp giữa các quy tắc như sự kết hợp của các tần số, kích thước của các thành phần, việc lắp ráp các bộ phận lại với nhau… TTĐT được chia thành 3 nguyên tắc dựa trên kỹ thuật kết nối: - Đường dẫn bức xạ. - Đường dẫn thiết bị dẫn. - Sự kết hợp của hai kỹ thuật trên. Trong mỗi kỹ thuật bức xạ hay thiết bị dẫn thì được chia thành hai quy tắc nhỏ nữa là sự phát xạ và sự miễn nhiễm. Ta có sơ đồ hình 1.8. TƯƠNG TH BỨC XẠ PHÁT XẠ Hình 1.8. Các nguyên tắc TTĐT Như vậy hiện tượng bức xạ chia làm hai loại: MIỄN NHIỄM - Bức xạ phát xạ (RE): Liên quan đến cơ chế sinh ra các năng lượng bức xạ điện từ không mong muốn vào môi trường chung quanh gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử khác. - Bức xạ miễn nhiễm (RI): Liên quan đến cơ chế chống lại các bức xạ điện từ từ các thiết bị khác vào các bộ phận đang hoạt động của hệ thống. Và hiện tượng dẫn cũng được chia làm hai loại: - Dẫn phát xạ (CE): Liên quan đến cơ chế các năng lượng điện từ được tạo ra từ các mạch điện tử ảnh hưởng đến các bộ phận khác trong mạch (đặc biệt là nguồn cung cấp AC) thông qua các dây cáp truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị. - Dẫn miễn nhiễm (CI): Liên quan khả năng chống lại các nhiễu điện từ sinh ra từ bộ nguồn AC, các mạch điện tử đến thiết bị hoạt động của hệ thống. Còn ESD bao gồm sự kết hợp giữa hiện tượng bức xạ và hiện tượng dẫn. Potentiall Noise component Potentiall Susceptible Susceptible component component Noise component Hình 1.9 cho ta hình dung một cách cụ thể các quy tắc trên. (d) Hình 1.9. Các nguyên tắc TTĐT : (a) bức xạ phát xạ, (b) bức xạ miễn nhiễm, (c) dẫn phát xạ, (d) dẫn miễn nhiễm. b. Các thiết bị đo TTĐT Đa số các tín hiệu RF được tạo ra từ các thiết bị có trở kháng nguồn khoảng 50Ω . 50Ω 50Ω Xc Hình 1.10. Trở kháng nội Hình 1.11. Trở kháng của hầu hết của nguồn tín hiệu RF. các thiết bị đo RF. Hầu hết các thiết bị đo TTĐT đều có trở kháng đầu vào là 50Ω . Cũng có một vài trường hợp ngoại lệ: các máy đo điện áp và máy hiển thị dạng sóng có thể có trở kháng cao hơn. Sở dĩ trở kháng bằng 50Ω chung cho các thiết bị kiểm tra là do có sự phối hợp trở kháng của phần lớn các cáp đồng trục được sử dụng hầu hết trong các phòng thí nghiệm. Có thể sử dụng trở kháng cao hơn 50Ω khi gặp trường hợp phức tạp. Việc đo sẽ phụ thuộc vào tần số, dựa trên việc phối hợp không đối xứng của cáp, nguồn và trở kháng tải. (a) c. Bộ khuếch đại công suất (c) Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần quan trọng của hệ thống kiểm tra sự miễn nhiễm RF. Bộ khuếch đại này được dùng trong kiểm tra bức xạ sử dụng anten hay các tế bào TEM và kiểm tra dây dẫn sử dụng máy dò phun dòng điện hoặc các mạng nhân tạo. Yêu cầu về khuếch đại công suất phụ thuộc vào: - Độ lợi anten và khoảng cách kiểm tra dự định trong phòng kiểm tra. - Đối với việc kiểm tra dây dẫn, sử dụng các hệ số của các bộ chuyển đổi khác. d. Thiết bị kiểm tra và thiết bị giám sát Thiết bị kiểm tra được thiết kế cơ bản để định lượng các hệ thống anten và có những đặc điểm sau: - Máy phát tín hiệu RF phải ở dải tần từ LF đến VHF và cả UHF. - Bộ đếm tần số. - Máy đo điện cảm. - Máy đo điện dung. - Đo SWR như là một chức năng của tần số. EUT giám sát có thể là loại số, tương tự hoặc giám sát bus thông tin, chẳng hạn như các đường link audio hoặc video. Chúng thường được kết nối đến cổng điều khiển hoạt động thông qua cáp sợi quang mà không làm ảnh hưởng đến trường gần EUT. Cáp sợi quang có thể xuyên qua hàng rào bảo vệ thông qua các ống dẫn có đường kính được xác định bởi tần số cao nhất được sử dụng trong các hốc kiểm tra và có chiều dài được lựa chọn để cung cấp mức suy hao tối thiểu có thể. e. Các kết quả phân tích Trước khi bắt đầu việc kiểm tra, nên xem xét lại thiết kế, việc bố trí sắp xếp và đóng gói để được kết quả tốt hơn. Quá trình kiểm tra phải được tiến hành kỹ lưỡng, cẩn thận, phải xem như là một kế hoạch kiểm tra với các bước tiến hành như sau: - Mô tả kỹ lưỡng các hoạt động của EUT với sơ đồ, biểu đồ, sơ đồ bố trí. - EUT, dụng cụ dây dẫn với các kết nối và mô phỏng nếu cần thiết. - Thiết bị giám sát, cáp sợi quang, video…, chúng phải không ảnh hưởng đến sự miễn nhiễm của EUT khi thêm vào. - Kiểm tra các tần số (các mức miễn nhiễm) dựa trên các nguyên nhân làm cho EUT sai số từ các thiết bị gây nhiễu hoặc các dịch vụ vô tuyến… - Các chế độ hoạt động trong phòng kiểm tra EUT dựa trên việc phân tích các chế độ. - Phần mềm kiểm tra sản phẩm, chế độ hoạt động. 1.4 MÔ HÌNH TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 1.4.1 Mục đích của mô hình TTĐT Hai vấn đề quan trọng khi thiết kế một thiết bị điện tử là độ nhạy cảm điện từ hoặc tính miễn nhiễm điện từ (tức là tính ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ) và mức độ gây nhiễu của nó. Do số lượng lớn và tính phức tạp của các thông số trong hệ thống điện tử đã gây nên các hiện tượng nhiễu điện từ bức xạ và nhiễu điện từ dẫn. Việc nghiên cứu, phân tích, đánh giá các hiện tượng trên là vấn đề vô cùng phức tạp. Chính vì vậy, cũng như các lĩnh vực kỹ thuật khác, người ta cũng đưa ra mô hình trong TTĐT nhằm triển khai được các bước chính trong quá trình sản xuất. Đồng thời, từ việc định nghĩa một mô hình dựa trên các thành phần nhỏ thì có thể nâng cấp các thành phần này thành những hệ thống phức tạp hơn. Mục đích của mô hình TTĐT là lấy dữ liệu mức thành phần và sử dụng dữ liệu này để làm tăng độ chính xác của việc phân tích mức hệ thống, cụ thể là: - Sử dụng mô hình để tạo nên một chức năng chuyển đổi từ các thông tin mức thành phần, sau đó dùng chức năng chuyển đổi này ở mức hệ thống. - Sử dụng mô hình để triển khai kiến thức về trở kháng của hệ thống. - Mô hình hóa các đường dẫn của dòng điện kiểu vi sai hay chung. 1.4.2 Giá trị của mô hình TTĐT Thực hiện kiểm tra TTĐT là vấn đề tốn kém rất nhiều thời gian và chi phí. Phương pháp số học và phân tích hợp lý sẽ trở thành một phương pháp quan trọng để xác định ảnh hưởng của các trường bên ngoài đến các hệ thống điện tử bên trong hệ thống hoặc có thể dự đoán được các bức xạ đó tăng lên như thế nào. Chính vì vậy, mô hình TTĐT thích hợp có thể làm giảm thời gian sản xuất và độ chính xác của mô hình có thể cho phép thực hiện kế hoạch bố trí các thành phần và cáp. Nếu quá trình phân tích được đưa ra sớm ở phần thiết kế thì khi bố trí sẽ thuận tiện hơn, linh hoạt hơn, thay đổi để cải thiện khả năng miễn nhiễm được tốt hơn mà không làm tăng chi phí. Quá trình mô phỏng và kiểm tra sớm hơn cũng làm giảm đáng kể thời gian để kiểm tra sản phẩm cuối cùng. Mô hình cũng được sử dụng để nghiên cứu sự mắc nối giữa các nguồn bên ngoài và bên trong. Ảnh hưởng của các máy phát vô tuyến xách tay, cả các máy thu chủ động và bị động (ví dụ: điện thoại di động, CD player, GPS…) có thể là những nguồn đáng kể ở bên ngoài hệ thống. 1.4.3 Các thách thức của mô hình TTĐT Thách thức đối với mô hình tương thích điện từ là làm sao để bản thân TTĐT được tự nhiên, đây thực sự là một nhiệm vụ khó khăn. Vì mô hình TTĐT rất phức tạp nên nó đòi hỏi cần phải xác định các thông số có liên quan đến mô hình. Không giống như phân tích mạch điện, mô hình TTĐT cho những quy tắc được định ra để thiết kế và phát triển sản phẩm. Mô hình phải được thực hiện xong trước khi thực hiện các công việc phức tạp như in mạch và các thiết bị ở mức thành phần. Những thiết bị này gọn nhẹ hơn và dễ định nghĩa hơn các hệ thống lớn. Các thách thức của mô hình: Để hiểu được chính xác tính chất vật lý của mạch điện và các hệ thống thì cần phải triển khai các công cụ số học chính xác nhằm định nghĩa các đường kết nối năng lượng sao cho: - Hiểu được các đường dẫn. - Xác định số lượng đường dẫn. - Nhận dạng các một cách chính xác để tối thiểu hóa sự can nhiễu. Về bố trí mạch in, có thể thấy rằng việc nhận dạng các thiết kế mạch và bố trí mạch rất quan trọng, bởi các lý do sau: - Phải hiểu được các đặc tính can nhiễu của các đường mạch in và việc ghép nối phù hợp. - Cần phải định nghĩa các phần tử, chẳng hạn như nhiễu bus công suất có thể ảnh hưởng đến các vấn đề RI. - Yêu cầu phải hiểu rõ và định nghĩa được các thông số của các thành phần bị động. - Cần phải định nghĩa các cấu trúc thành phần cũng như hệ thống khác mà hoạt động của nó có thể bị ảnh hưởng bởi các nguồn năng lượng ngoài. Ngoài ra, một thách thức nữa đối với mô hình TTĐT là các loại dây dẫn và cáp được sử dụng, chúng phải được bọc như thế nào và cấu trúc của chúng ra sao. Cấu trúc của các thành phần cũng như hệ thống, chẳng hạn như các khung hay vỏ máy cũng đóng vai trò như các nguồn năng lượng dẫn. Những vấn đề này cũng sẽ được xem xét trong mô hình và nó thật sự là một nhiệm vụ phức tạp. 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Tóm lại với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học công nghệ như hiện nay cùng với việc ứng dụng những thành tựu này trong việc thiết kế và chế tạo các thiết bị điện, điện tử đã và đang đặt ra những khó khăn và thách thức lớn về mặt TTĐT giữa các hệ thống với nhau cũng như bản thân bên trong các hệ thống đó. Hầu hết các sản phẩm đều có những giới hạn về môi trường hoặc các đặc tính kỹ thuật an toàn. Các yêu cầu này phần nào nhằm tạo ra sự chắc chắn trong quá trình sử dụng sản phẩm. TTĐT là một lĩnh vực rất quan trọng, nó ngày càng trở nên phức tạp hơn. Do đó khi thiết kế một sản phẩm bất kỳ nào đó, các nhà thiết kế luôn luôn đề cập đến vấn đề TTĐT. Làm thế nào để các hệ thống trên đạt được hiệu suất cao nhất nhưng mức độ ảnh hưởng của nó đến các thiết bị, hệ thống khác là thấp nhất. Vì vậy việc tìm hiểu nó để áp dụng vào thực tế là hết sức cần thiết. Sau khi tìm hiểu tổng quan về TTĐT để áp dụng cho việc thiết kế các thiết bị điện tử đảm bảo hoạt động tốt trong môi trường và không gây nhiễu đến các thiết bị và môi trường xung quanh thì trong chương sau luận văn sẽ trình bày về lý thuyết cơ bản của anten nhằm phục vụ cho vấn đề tính toán thiết và mô phỏng các thiết bị anten hoạt động phù hợp mục đích sử dụng và đảm bảo tính tương thích điện từ. CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa… Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau. Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng với hướng cực đại song song mặt phẳng đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết. Việc nghiên cứu lý thuyết cơ sở của kỹ thuật anten sẽ giúp chúng ta có được các kiến thức cơ bản để thiết kế và phân tích hoạt động của anten. Trong chương này luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về cấu trúc chung, hoạt động và các thông số cơ bản của anten để từ đó đưa ra loại anten thích hợp sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến. 2.2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 2.2.1 Giới thiệu về anten Thiết bị dùng để phát xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Nói cách khác anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device). Xét trong một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như máy thu với anten thu không kết nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là dây feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện này sẽ được truyền đi theo dây feeder tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong dây feeder thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói ở trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo dây feeder đến máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và dây feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Phương trình tương đương của anten ở chế độ phát được biểu diễn trong hình 2.1. Ở đó, anten được biểu diễn bởi một tải ZA, Z A = ( RL + Rr ) + jX A . Trở kháng tải RL được sử dụng để biểu diễn suy hao điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss) gắn với cấu trúc của anten, trong khi Rr là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ của anten. Ngoài sóng điện từ bức xạ ra vùng xa, còn có trường điện từ dao động ở gần anten, ràng buộc với anten. Phần công suất này không bức xạ ra ngoài mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn. Công suất này gọi là công suất vô công và được biểu thị thông qua điện kháng XA. Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ Rr . Tuy nhiên trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các suy hao do điện môi và suy hao do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo sự suy hao do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten. Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten. Sóng phản xạ từ tiếp điểm cùng với sóng tới giao thoa với nhau tạo thành sóng đứng nằm bên trong đường truyền dẫn. Khi đó trên đường truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng. Mô hình sóng đứng được biểu diễn trong hình 2.1. Hình 2.1. Đường truyền Thevenin tương đương của anten. Nếu hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng, năng lượng sẽ tập trung ở đường truyền dẫn. Nếu cường độ trường cực đại của sóng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn. Tổng suy hao phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng. Suy hao do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền suy hao thấp, trong khi suy hao do anten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng bức xạ RL. Sóng đứng có thể được giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền. Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính là anten. Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau. Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kì đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rada, vô tuyến điều khiển...thì yêu cầu anten bức xạ với định hướng cao nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian. Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định với các yêu cầu kĩ thuật cho trước. Với sự phát triển ngày nay cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc thu nhận sóng, hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau hoặc hệ thống gia công tín hiệu. 2.2.2 Sự bức xạ sóng điện từ của anten Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra. Một trường là trường cảm ứng (trường vùng gần), trường này ràng buộc với anten còn trường kia là trường bức xạ (trường vùng xa). Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten. Tại vùng xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì. Trường vùng xa gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (xem hình 2.2). Hình 2.2. Các trường bức xạ tại vùng xa. Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điện từ. Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do. Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển. Trường ở khu xa là các sóng phẳng. Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn. Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng. a. Giản đồ bức xạ Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten. Một giản đồ bức xạ anten hoặc giản đồ anten được định nghĩa là hàm toán học của đặc tính bức xạ của anten. Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xác định trong vùng trường xa và được biểu diễn như một hàm theo hệ trục tọa độ. Đặc tính bức xạ bao gồm mật độ dòng công suất, cường độ bức xạ, cường độ trường, định hướng, pha hay phân cực. Đặc tính bức xạ liên quan đến sự phân bổ năng lượng bức xạ trong không gian 2 hay 3 chiều như một hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay bề mặt có bán kính không đổi, được biểu diễn trong hình 2.3. Hình 2.3. Hệ thống tọa độ để phân tích anten. b. Các búp sóng của giản đồ bức xạ Các phần khác nhau của một giản đồ bức xạ được gọi là các búp (lobes), chúng được chia thành búp chính, búp phụ, búp cạnh và búp ngược. Một búp sóng bức xạ là một "phần của giản đồ bức xạ giới hạn bởi các vùng của cường độ bức xạ". Hình 2.4a biểu diễn giản đồ đối xứng 3D với các búp bức xạ. Hình 2.4b biểu diễn giản đồ tuyến tính 2D (một mặt cắt của giản đồ 3D). Búp chính (major lobe) là búp bức xạ chứa hướng bức xạ lớn nhất. Như trong hình 2.4 búp chính là hướng theo hướng θ = 0 . Trong một số anten tồn tại nhiều hơn một búp chính. Búp phụ (minor lobe) là bất kì búp nào ngoại trừ búp chính. Như trong hình 2.4 tất cả các búp ngoại trừ búp chính đều được gọi là búp phụ. Búp cạnh (side lobe) là búp bức xạ theo bất kì các hướng khác với mong đợi (thông thường búp cạnh là liền kề với búp chính và chiếm bán cầu theo hướng búp chính). Búp sau (back lobe) là búp bức xạ mà trục theo hướng của nó tạo với trục hướng chính của anten một góc xấp xỉ 1800 (thông thường chúng là các búp phụ chiếm bán cầu theo hướng ngược lại với hướng của búp chính). Các búp phụ thường biểu diễn bức xạ theo các hướng không mong muốn và chúng cần phải loại bỏ. Các búp cạnh thường là các búp phụ lớn nhất. Mức (level) của búp phụ thường được biểu diễn bởi tỉ số mật độ công suất của hướng đó so với búp chính. Hình 2.4. Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính. a) Các búp bức xạ, b) Đồ thị của giản đồ công suất với các búp sóng. c. Giản đồ đẳng hướng, định hướng và đa hướng Anten đẳng hướng được định nghĩa là "một anten giả thuyết mà bức xạ đều theo tất cả các hướng". Anten hướng tính là anten có đặc tính bức xạ hoặc thu sóng điện từ hiệu quả theo một số hướng nhất định. Ví dụ về anten với giản đồ hướng bức xạ như ở hình 2.5 và 2.6. Hình 2.5. Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và H của anten loa. Hình 2.6. Giản đồ anten đa hướng. Ta thấy rằng giản đồ trong hình 2.6 là không hướng tính trong mặt phẳng góc phương vị [ f (φ ),θ = π / 2] và hướng tính trong mặt phẳng đứng [ g (θ ),φ = constant ] . Đây là một loại giản đồ đa hướng tính, nó là giản đồ không hướng tính trong một mặt phẳng cho trước và hướng tính trong bất kì mặt phẳng trực giao nào. Một giản đồ đa hướng tính là loại đặc biệt của giản đồ hướng tính. Với anten phân cực tuyến tính, hiệu năng thường được biểu diễn trong giản đồ mặt phẳng E và H. Mặt phẳng E là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ chính. Mặt phẳng H là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ chính. Ví dụ như hình 2.5, mặt phẳng x − z[φ = 0] là mặt phẳng E chính và mặt phẳng x − y (θ = π / 2) là mặt phẳng H chính. Ta có thể chọn hệ trục tọa độ định hướng khác. Giản đồ đa hướng ở hình 2.6 có vô số mặt phẳng E (φ = φ c ) và chỉ có một mặt phẳng H chính θ = 900 . d. Các vùng trường của anten (field regions) Không gian bao quanh một anten thường được thành 3 vùng : (a) trường cảm ứng gần, (b) trường bức xạ gần (Fresnel), (c) trường xa, chúng được biểu diễn như trong hình 2.7. Hình 2.7. Các vùng trường của một anten. Các vùng trường được phân định như vậy để xác định cấu trúc trường trong mỗi vùng. Không có sự thay đổi trường đột ngột nào khi đi qua biên giữa các trường đó. Các biên của các vùng trường không phải là duy nhất do có nhiều tiêu chuẩn khác nhau sử dụng để xác định các vùng trường. Vùng trường cảm ứng gần (reactive near-field region) là một phần của vùng trường gần bao quanh trực tiếp anten nơi mà trường cảm ứng chiếm ưu thế. Với hầu hết các anten, viền ranh giới của vùng này tồn tại ở khoảng cách R < 0.62 D 3 / λ so với bề mặt anten, với λ là bước sóng và D là đường kính lớn nhất của anten. Đối với một chấn tử rất ngắn viền ranh giới tồn tại tại khoảng cách λ / 2π so với bề mặt anten. Vùng trường bức xạ gần (radiating near-field region) là vùng trường của một anten giữa vùng trường cảm ứng và vùng trường xa, nơi mà trường bức xạ là chủ yếu và nơi mà sự phân bổ trường còn phụ thuộc vào khoảng cách từ anten. Nếu kích thước anten nhỏ hơn so với bước sóng thì vùng này có thể không tồn tại. Với một anten hội tụ ở vô cùng, vùng trường bức xạ gần đôi khi được xem là vùng Fresnel. Nếu anten có kích thước tổng thể lớn nhất mà nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, thì vùng trường này có thể không tồn tại. 3 Viền giới hạn trong là R ≥ 0.62 D / λ và giới hạn ngoài là R ≤ 2 D 2 / λ với D là kích thước lớn nhất của anten. Vùng trường xa (far-field region) là vùng trường của một anten nơi mà góc trường phân bổ chủ yếu phụ thuộc vào khoảng cách đến anten. Nếu anten có kích thước tổng thể lớn nhất là D, vùng trường xa sẽ tồn tại ở khoảng cách lớn hơn 2 D 2 / λ từ anten, λ là bước sóng. Dạng của giản đồ bức xạ trong trường này hầu như không thay đổi khi dịch chuyển điểm quan sát ra xa dần. 2.3 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 2.3.1 Mật độ công suất bức xạ Sóng điện từ được sử dụng để truyền thông tin qua thiết bị không dây hoặc cấu trúc dẫn sóng từ điểm này đến điểm khác. Đại lượng dùng để mô tả công suất kết hợp với một sóng điện từ là vector Poynting tức thời được định nghĩa như sau: ur uur W = E× H Trong đó: (2.1) W : Vector Poynting tức thời (W/m2). ur E : Cường độ điện trường tức thời (V/m). uur H : Cường độ từ trường tức thời (A/m). 2.3.2 Cường độ bức xạ Cường độ bức xạ ở một hướng cho trước là công suất bức xạ từ một anten trên một đơn vị góc. Cường độ bức xạ là một thông số của trường xa và nó có thể được tính bởi nhân mật độ bức xạ với bình phương khoảng cách. U = r 2Wrad Trong đó U (2.2) : Cường độ bức xạ (W/đơn vị góc). Wrad : Mật độ bức xạ (W/m2). 2.3.3 Hệ số định hướng (Directivity) Hệ số định hướng của một anten là tỉ số của cường độ bức xạ theo hướng cho trước trên cường độ bức xạ trung bình. Cường độ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho 4π . Nếu hướng là không xác định rõ ràng thì hướng bức xạ cực đại được chọn. Đơn giản, hệ số định hướng của một nguồn dị hướng bằng tỉ số cường độ bức xạ của nó theo hướng cho trước trên cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng: D= U 4π U = U 0 Prad (2.3) Nếu hướng không rõ ràng, hướng cường độ bức xạ cực đại được biểu diễn: Dmax = D0 = U |max U max 4π U max = = U0 U0 Prad (2.4) Với nguồn đẳng hướng thì hệ số định hướng bằng 1 vì U, Umax, U0 bằng nhau. Với các anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ số định hướng riêng của một anten với một phân cực cho trước theo một hướng cho trước là phần cường độ bức xạ tương ứng với phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức xạ trung bình trên mọi hướng. Như vậy, theo một hướng cho trước, hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng riêng trong hệ tọa độ cầu. 2.3.4 Độ lợi (Gain) Một thông số khác để mô tả hiệu năng của một anten là độ lợi. Độ lợi của anten là gần như liên quan đến hệ số định hướng, nó là thông số dùng để tính toán hiệu suất của anten cũng như khả năng định hướng của anten đó. Độ lợi của một anten (theo một hướng cho trước) là tỉ số của cường độ theo hướng cho trước trên cường độ bức xạ mà có thể được tính nếu công suất của anten bức xạ đẳng hướng. Cường độ bức xạ tương ứng với công suất bức xạ đẳng hướng bằng với công suất đầu vào của một anten chia cho 4π . Gain = 4π U ( θ ,φ ) c êng ®ébøcx¹ = 4π tængc«ngsuÊt®Çuvµo Pin (2.5) 2.3.5 Băng thông (Bandwidth) Băng thông là dãy tần số mà trong đó hiệu năng của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn rõ ràng nhất định. Băng thông có thể được xét là dãy tần số về cả hai phía của tần số trung tâm, ở đó các đặc tính của anten như trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm tia, phân cực, mức búp bên, độ lợi, hiệu suất bức xạ... là đạt giá trị chấp nhận được. Với các anten băng rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số tần số upper-to-lower. Ví dụ 10:1 thì tần số trên gấp 10 lần tần số dưới. Với các anten băng hẹp, băng thông được biểu diễn là tỉ lệ phần trăm sai khác tần số trên tần số trung tâm. Ví dụ băng thông 5% nghĩa là sự sai khác tần số là 5% so với tần số trung tâm. Vì các đặc tính của anten không thay đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau. Tùy ứng dụng cụ thể mà yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn sao cho phù hợp. 2.4 PHÂN CỰC CỦA ANTEN (POLARIZATION) Phân cực của một anten theo một hướng cho trước là phân cực của sóng bức xạ bởi anten. Khi hướng không được đề cập, phân cực được xét theo hướng bức xạ cực đại. Trong thực tế, phân cực của năng lượng bức xạ thay đổi theo hướng từ trung tâm của anten nên các phần khác nhau của giản đồ có thể phân cực khác nhau. Phân cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời và hướng mà nó ra khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng. Một ví dụ như biểu diễn trong hình 2.8a và 2.8b. Phân cực có thể được chia làm các loại tuyến tính, tròn hoặc elip. Nếu đầu mút vector điện trường ở một điểm trong không gian luôn hướng theo một đường thẳng, trường này được gọi là phân cực tuyến tính. Tổng quát, đầu mút của vector điện trường vạch ra một elip, trường này được gọi là phân cực elip. Phân cực tròn và tuyến tính là các trường hợp đặc biệt của phân cực elip. Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ gọi là phân cực phải, ngược chiều kim đồng hồ gọi là phân cực trái. Hình 2.8. Sự quay của một mặt phẳng sóng điện từ và phân cực elip của nó tại Z = 0 như một hàm theo thời gian. (a). Sự quay của vector điện trường. (b). Phân cực elip ở Z = 0. 2.4.1 Phân cực tuyến tính Với các sóng phân cực tuyến tính, sự sai pha theo thời gian giữa hai thành phần phải là: ∆φ = φy − φx = nπ , n = 0,1,2,3,... (2.6) 2.4.2 Phân cực tròn Phân cực tròn chỉ khi cường độ của hai thành phần là bằng nhau và sự sai pha theo thời gian giữa chúng là một số lẻ π / 2. | ε x | = | ε y | → E xo = E yo + ( 12 + 2n)π , n=0,1,2,...theochiÒukim®ånghå ∆φ = φy − φx = 1 −( 2 + 2n)π , n=0,1,2,...ng îcchiÒukim®ånghå (2.7) (2.8) Nếu hướng truyền ngược lại (theo hướng dương trục z) thì 2 vế phải của (2.8) sẽ tráo đổi cho nhau. 2.4.3 Phân cực elip Phân cực elip có thể có được chỉ khi sự sai pha giữa hai thành phần là một số lẻ π / 2 và biên độ của chúng là không bằng nhau hoặc chỉ khi sự sai pha giữa hai thành phần không bằng bội của độ). π / 2 (không quan tâm đến biên | ε x | ≠ | ε y | → E xo ≠ E yo + ( 12 + 2 n )π , n=0,1,2,...theochiÒukim®ånghå ∆ φ = φ y − φx = 1 − ( 2 + 2n )π , n=0,1,2,...ng îcchiÒukim®ånghå (2.9) Hoặc > 0theochiÒukim®ånghå n ∆ φ = φ y − φx ≠ ± π , n=0,1,2,...= 2 30 GHz). Dựa vào các tiêu chí trên thì vật liệu điện môi hỗn hợp có nhiều ưu điểm để dùng làm lớp nền cho anten vi dải. Trong thiết kế anten vi dải có thể dùng các vật liệu điện môi hỗn hợp được cho trong bảng sau. Bảng 4.1. Các vật liệu điện môi thông dụng dùng trong thiết kế anten vi dải ST Tên vật liệu Hằng số điện môi Suy hao tiếp tuyến T 1 RT/Duroid 5870 2.33 ± 0.02 0.0012 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 RT/Duroid 5880 RT/Duroid 6002 RT/Duroid 6006 RT/Duroid 6010.5 Ultralam 2000 R03003 R03006 R03010 R04003 TLC-32 HT-2 Polyguide Epoxy/glass (FR4) TMM-3 TMM-4 TMM-6 TMM-10 Trans-Tech D- 2.2 2.94 6.0 ± 0.15 10.5 ± 0.25 2.5 ± 0.05 3.0 ± 0.04 6.15 10.2 3.38 3.2 4.3 2.32 4.4 3.25 4.5 6.5 9.8 8.9 - 14 0.0009 0.0012 0.0019 0.0024 0.0022 0.0013 0.0013 0.0013 0.0022 0.003 0.0033 0.0005 0.01 0.0016 0.0017 0.0018 0.0017 < 0.0002 20 MAT Trans-Tech S-145 10.0 < 0.0002 4.4 THAM SỐ ANTEN VI DẢI PATCH CHỮ NHẬT Hình 4.1. Cấu trúc của anten vi dải. 4.5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CST MICROWAVE STUDIO 4.5.1 Giới thiệu CST Microwave Studio CST Studio là phần mềm mô phỏng trường điện từ, microwave, anten… theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. CST Studio sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đồ họa. CST Studio có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường… CST Studio là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt là đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp. CST Studio cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động. 4.5.2 Qui trình thiết kế anten với CST Microwave Studio 2009 - Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích. - Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số. - Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động. - Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị trường 2D. 4.6 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BAN ĐẦU CƠ BẢN Hình dạng của các antenna tham khảo được trình bày trong hình 4.1. Các antenna được in trên chất nền FR-4 dày 1.59 mm và hằng số điện môi là 4.4. εr (a) Nhìn từ trên (b) Nhìn từ dưới Hình 4.1. Hình dạng của các anten được thiết kế. Bảng 1. Chi tiết về thông số thiết kế của antenna. Thành phần Antenna Patch Ký hiệu và giá trị của các thành phần cho antenna được đề xuất (tính bằng mm) W = 20, L = 19.5 Feed Wf = 4, Lf = 16 Steps at patch bottom WS1 = 1.5, L S1 = 1.5, W S2 = 1, L S2 = 1 Ground Slot WC = 3.8, LC = 2.7, WG1 = 1, W G2 = 1, Of = 1.5 Substrate Width = 40, Length = 38 Hình 4.2. (a) "Spur line filter" được nhúng trong microstrip line, (b) Ghép đường dây truyền dẫn tương đương. Bằng việc thiết kế bề mặt anten vi dải phức tạp, tạo các tầng bậc thang giảm từ từ như trên bề mặt anten để tạo cho anten có thể hoạt động trong một dải tần số rộng hơn. Sau đây ta sẽ đi vào mô phỏng bằng phần mềm SCT Studio 2009 để thấy rỏ hơn. 4.6.1 Hệ số phản xạ S11 của anten Hình 4.3. Đồ thị Return Loss [S11] của Anten. Nhìn vào đồ thị Return Loss [S11] được thể hiện trên hình 4.3. Ta nhận thấy rằng với thiết kế ban đầu như vậy, anten cộng hưởng và hoạt động tốt trong dải tần số 7 GHz – 9.5 GHz với S 11 < -10 dB. Với băng thông rộng 2.5 GHz. Đáp ứng cho các nhu cầu thiết bị cần sử dụng anten băng rộng. 4.6.2 Đồ thị VSWR của anten Hình 4.4. Đồ thị VSWR của Anten. Đồ thị VSWR cho ta thấy anten được phối hợp trở kháng tốt tại dải tần rộng 7GHz – 9.5 GHz với VSWR < 2. 4.6.3 Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 8.63 GHz. Hình 4.5. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 8.3 GHz. Nhìn vào giản đồ bức xạ của anten ta thấy anten đạt độ lợi cao nhất là 6.61 dBi. 4.7 ANTEN VI DẢI VỚI KHE L NGƯỢC 4.7.1 Cấu trúc bề mặt anten Hình 4.6 Cấu trúc bề mặt anten khắc L ngược Bề mặt tấm Patch antenna bao gồm khe cắt hình "L" đảo ngược gọi tắt là Filter-1 thể hiện trong hình 4.6 có các tham số thiết kế là x1 = 6.5 mm , y1 = 5.5 mm, h1 = 5 mm, t1 = 0.4 mm. 4.7.2 Hệ số phản xạ S11 của anten Hình 4.7 Đồ thị Return Loss [S11] của Anten. Nhìn vào đồ thị Return Loss [S11] được thể hiện trên hình 4.7. Ta nhận thấy rằng với thiết kế ban đầu như vậy, anten cộng hưởng và hoạt động tốt trong dải tần số 7.4 GHz – 9.2 GHz với S11 < -10 dB. Với băng thông rộng 1.8 GHz. Đáp ứng cho các nhu cầu thiết bị cần sử dụng anten băng rộng. 4.7.3 Đồ thị VSWR của anten Hình 4.8 Đồ thị VSWR của anten Đồ thị VSWR được thể hiện trên hình 4.8 cho ta thấy anten được phối hợp trở kháng tốt tại dải tần 7.4 GHz – 9.2 GHz với VSWR < 2. 4.7.4 Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 8.7 GHz. Hình 4.9. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 8.7 GHz. Nhìn vào giản đồ bức xạ của anten ta thấy anten đạt độ lợi cao nhất là 7.02 dBi. 4.8 ANTEN VI DẢI VỚI KHE L NGƯỢC + J NGƯỢC 4.8.1 Cấu trúc bề mặt anten Hình 4.10 Cấu trúc bề mặt anten Bề mặt tấm Patch antenna bao gồm khe cắt hình "J" đảo ngược gọi tắt là Filter-2 thể hiện trong hình 4.10 có các tham số thiết kế là x2 = 3.5 mm, x'2 = 5.5 mm, y2 = 3.6 mm, h2 = 11.3 mm, t2 = 0.2 mm. 4.8.2 Hệ số phản xạ S11 của anten Hình 4.11. Đồ thị Return Loss [S11] của Anten. Nhìn vào đồ thị Return Loss [S11] được thể hiện trên hình 4.11. Ta nhận thấy rằng với thiết kế ban đầu như vậy, anten cộng hưởng và hoạt động tốt trong dải tần số 8 GHz – 9 GHz với S 11 < -10 dB. Với băng thông rộng 1 GHz. Đáp ứng cho các nhu cầu thiết bị cần sử dụng anten băng rộng. 4.8.3 Đồ thị VSWR của anten Hình 4.12 Đồ thị VSWR của anten Đồ thị VSWR được thể hiện trên hình 4.12 cho ta thấy anten được phối hợp trở kháng tốt tại dải tần 8 GHz – 9 GHz với VSWR < 2. 4.8.4 Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 8.72 GHz. Hình 4.13. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 8.72 GHz. Nhìn vào giản đồ bức xạ của anten ta thấy anten đạt độ lợi cao nhất là 7.12 dBi. 4.9 ANTEN VI DẢI VỚI KHE L NGƯỢC + J NGƯỢC + KHE U VÀ ˥ KHẮC LÊN ĐƯỜNG FEED LINE 4.9.1 Cấu trúc bề mặt anten Hình 4.14 Cấu trúc bề mặt anten Bề mặt tấm Patch antenna bao gồm khe cắt hình "U" đảo ngược gọi tắt là Filter-3 và khe "˥" khắc lên đường cấp nguồn feed line gọi tắt là Filter-4 thể hiện trong hình 4.14 có các tham số thiết kế Filter-3: x3 = 0.2 mm, x'3 = 3.55 mm, y3 = 1 mm, y'3 = 7 mm, y''3 = 5.5 mm; Filter-4: x4 = 9.6 m, y4 = 5.2 mm, t4 = 1.2 mm. 4.9.2 Hệ số phản xạ S11 của anten Hình 4.15. Đồ thị Return Loss [S11] của Anten. Nhìn vào đồ thị Return Loss [S11] được thể hiện trên hình 4.15. Ta nhận thấy rằng với thiết kế như vậy, anten cộng hưởng và hoạt động tốt trong hai dải tần số (5.8 GHz - 6 GHz) áp dụng cho băng hẹp và (8 GHz - 9.2 GHz) áp dụng cho băng rộng với S11 < -10 dB. Đáp ứng cho các nhu cầu thiết bị cần sử dụng anten băng rộng hoặc dual band sử dụng hai băng tần khác nhau song song cùng một lúc. 4.9.3 Đồ thị VSWR của anten Hình 4.16 Đồ thị VSWR của anten Đồ thị VSWR được thể hiện trên hình 4.16 cho ta thấy anten được phối hợp trở kháng tốt tại hai dải tần (5.8 GHz - 6 GHz) và (8 GHz - 9.2 GHz) với VSWR < 2. 4.9.4 Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 5.863 GHz. Hình 4.17. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 5.863 GHz. Nhìn vào giản đồ bức xạ của anten ta thấy anten đạt độ lợi cao nhất là 6.47 dBi. 4.9.5 Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 8.652 GHz. Hình 4.17. Giản đồ bức xạ 3D của anten tại tần số 8.652 GHz. Nhìn vào giản đồ bức xạ của anten ta thấy anten đạt độ lợi cao nhất là 6.8 dBi. 4.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG Như vậy sau khi tiểu luận đưa ra các thiết kế ban đầu bởi một anten cơ bản. Sau đó dần thêm vào các khe hình "L", "J", "U", "˥" ngược. Dựa vào các kết quả xuất ra bởi phần mềm mô phỏng CST Studio 2009 ta nhận thấy rằng. Cấu trúc tấm Patch bề mặt anten rất quan trọng trong việc thế kế anten vi dải. Việc thay đổi hình dạng của anten ban đầu sẽ khiến anten bị nhiễu loạn điện từ dẫn đến cộng hưởng ở một dãy tần số rộng, hoặc cộng hưởng ở nhiều dải tần số khác nhau tạo nên hiện tượng multiband (đa băng). Mỗi cấu trúc hình dạng anten khác nhau có thể được sử dụng ở nhiều điều kiện cần khác nhau. Do đó để phục vụ mục đích riêng trong kỹ thuật, việc thay đổi cấu trúc bề mặt anten là vấn đề vô cùng phức tạp và không kém phần hấp dẫn. Thay đổi cấu trúc bề mặt anten nếu cộng hưởng ở dải tần số rộng có thể gây can nhiễu lên nhiều thiết bị khác sử dụng chung cùng dải tần. Do đó việc tính toán thiết kế anten hoạt động đa băng rất phức tạp, vừa đảm bảo đủ trong các băng tần hoạt động, vừa không cộng hưởng lấn ra bên ngoài dải tần khác là vấn đề hết sức quan trọng cần chú ý. Qua quá trình hoàn thành tiểu luận, có nhiều nhược điểm là không có các thiết bị thực tế để tiến hành thiết kế và đo kiểm tra, đó cũng là một hạn chế của tiểu luận. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] GS.TSKH. Phan Anh (2007), Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. [2] Bộ Thông Tin và Truyền Thông. Số: 03 /2012/TT-BTTTT. Quy định danh mục thiết bị vô tuyến điện được miễn giấy phép sử dụng tần số vô tuyến điện, điều kiện kỹ thuật và khai thác kèm theo. [3] PGS.TS. Tăng Tấn Chiến (2010), Tương thích điện từ, NXB Giáo dục Việt Nam. [4] Nguyễn Việt Linh & Phan Văn Sơn (2013), Thiết kế anten vi dải trong lĩnh vực tương thích điện từ, Đại học Đà Nẵng. [5] QCVN. 2012/bkhcn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tương thích điện từ đối với thiết bị điện và điện tử gia dụng và các mục đích tương tự. Tiếng Anh [6] Constantine A.Balanis,"Antenna theory Analysis and design", John Willey & Son, INC, Third Edition. [7] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Hanbook", Artech House,INC. [8] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Hanbook" , Artech House,INC. [9] Ramesh Garg Prakash Bhartia Inder Bahl Apisak Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Handbook". [10] R. JAMES, P. S. HALL and C. WOOD, "Microstrip Antenna Theory And Design". [11] W.L Stutzman and G.A Thiele. "Antenna Theory and Design". John Wiley & Sons, Inc, 2005. [...]... l mt phn ca vựng trng gn bao quanh trc tip anten ni m trng cm ng chim u th Vi hu ht cỏc anten, vin ranh gii ca vựng ny tn ti khong cỏch R < 0.62 D 3 / so vi b mt anten, vi l bc súng v D l ng kớnh ln nht ca anten i vi mt chn t rt ngn vin ranh gii tn ti ti khong cỏch / 2 so vi b mt anten Vựng trng bc x gn (radiating near-field region) l vựng trng ca mt anten gia vựng trng cm ng v vựng trng xa, ni... hp tr khỏng ca anten vi tr khỏng c trng ca ng truyn Tc l phi hp tr khỏng gia ti vi ng truyn, õy ti chớnh l anten Anten c s dng vi cỏc mc ớch khỏc nhau cng cú nhng yờu cu khỏc nhau Vi cỏc i phỏt thanh v vụ tuyn truyn hỡnh thỡ anten cn bc x ng u trong mt phng ngang (mt t) cho cỏc mỏy thu t cỏc hng bt kỡ u cú th thu c tớn hiu ca i phỏt Song, anten li cn bc x nh hng trong mt phng ng, vi hng cc i song... t khụng gian bờn ngoi c gi l anten Núi cỏch khỏc anten l cu trỳc chuyn tip gia khụng gian t do v thit b dn súng (guiding device) Xột trong mt h thng liờn lc vụ tuyn n gin bao gm mỏy phỏt, mỏy thu, anten phỏt v anten thu Thụng thng gia mỏy phỏt v anten phỏt cng nh mỏy thu vi anten thu khụng kt ni trc tip vi nhau m c ghộp vi nhau qua ng truyn nng lng in t gi l dõy feeder Trong h thng ny, mỏy phỏt cú... cỏch t anten Nu kớch thc anten nh hn so vi bc súng thỡ vựng ny cú th khụng tn ti Vi mt anten hi t vụ cựng, vựng trng bc x gn ụi khi c xem l vựng Fresnel Nu anten cú kớch thc tng th ln nht m nh hn nhiu so vi bc súng, thỡ vựng trng ny cú th khụng tn ti 3 Vin gii hn trong l R 0.62 D / v gii hn ngoi l R 2 D 2 / vi D l kớch thc ln nht ca anten Vựng trng xa (far-field region) l vựng trng ca mt anten. .. thit Vic nghiờn cu lý thuyt c s ca k thut anten s giỳp chỳng ta cú c cỏc kin thc c bn thit k v phõn tớch hot ng ca anten Trong chng ny lun vn s tp trung nghiờn cu v cu trỳc chung, hot ng v cỏc thụng s c bn ca anten t ú a ra loi anten thớch hp s dng trong h thng thụng tin vụ tuyn 2.2 Lí THUYT CHUNG V ANTEN 2.2.1 Gii thiu v anten Thit b dựng phỏt x súng in t (anten phỏt) hoc thu nhn súng in t (anten. .. ú so vi bỳp chớnh Hỡnh 2.4 Cỏc bỳp súng ca anten bc x hng tớnh a) Cỏc bỳp bc x, b) th ca gin cụng sut vi cỏc bỳp súng c Gin ng hng, nh hng v a hng Anten ng hng c nh ngha l "mt anten gi thuyt m bc x u theo tt c cỏc hng" Anten hng tớnh l anten cú c tớnh bc x hoc thu súng in t hiu qu theo mt s hng nht nh Vớ d v anten vi gin hng bc x nh hỡnh 2.5 v 2.6 Hỡnh 2.5 Gin bc x trong mt phng E v H ca anten. .. khong cỏch t im kho sỏt ti ngun tng a Gin bc x Cỏc tớn hiu vụ tuyn bc x bi anten hỡnh thnh mt trng in t vi mt gin xỏc nh v ph thuc vo loi anten c s dng Gin bc x ny th hin cỏc c tớnh nh hng ca anten Mt gin bc x anten hoc gin anten c nh ngha l hm toỏn hc ca c tớnh bc x ca anten Trong hu ht cỏc trng hp, gin bc x c xỏc nh trong vựng trng xa v c biu din nh mt hm theo h trc ta c tớnh bc x bao gm mt... feeder l phi thc hin vic truyn v bin i nng lng vi hiu sut cao nht v khụng gõy ra mộo dng tớn hiu Phng trỡnh tng ng ca anten ch phỏt c biu din trong hỡnh 2.1 ú, anten c biu din bi mt ti ZA, Z A = ( RL + Rr ) + jX A Tr khỏng ti RL c s dng biu din suy hao in mụi v vt dn (conduction and dielectric loss) gn vi cu trỳc ca anten, trong khi Rr l tr khỏng bc x, nú th hin s bc x súng in t ca anten Ngoi súng... Hỡnh 2.6 Gin anten a hng Ta thy rng gin trong hỡnh 2.6 l khụng hng tớnh trong mt phng gúc phng v [ f ( ), = / 2] v hng tớnh trong mt phng ng [ g ( ), = constant ] õy l mt loi gin a hng tớnh, nú l gin khụng hng tớnh trong mt mt phng cho trc v hng tớnh trong bt kỡ mt phng trc giao no Mt gin a hng tớnh l loi c bit ca gin hng tớnh Vi anten phõn cc tuyn tớnh, hiu nng thng c biu din trong gin mt... nú cú th kt hp c vi cỏc kt ni khỏc Mt hn ch ca cỏp ng trc ú l suy hao cao nờn dn n gim cụng sut c truyn t anten n mỏy thu cng nh t mỏy phỏt n anten Ngoi ra tc truyn súng cng nh hn tc truyn súng trong khụng gian t do, iu ny cú ngha rng chiu di bc súng bờn trong cỏp l khỏc nhau so vi trong khụng gian t do, do ú bc súng trong cỏp cng cú phn ngn hn Cỏp ng trc c bao bc bi lp v cỏch in vi cỏc ngun bờn ... CU TRC ANTEN VI DI Tt c cỏc anten c chia lm bn loi c bn: anten patch vi di, dipole vi di, anten khe s dng k thut in, anten traveling-wave vi di 3.3.1 Anten patch vi di Anten cú patch vi di (microstrip... thut c bn ca anten giỳp ớch cho vic tớnh toỏn thit k anten sau ny Trong chng sau ta s i sõu hn v mt loi anten c th l anten vi di CHNG ANTEN VI DI 3.1 GII THIU CHNG Trong nhng nm gn õy, anten mch... v anten vi di v cỏc c tớnh cng nh cỏc thụng s ca chỳng 3.2 GII THIU CHUNG V ANTEN VI DI 3.2.1 Cỏc c im c bn anten vi di Anten vi di nhn c nhng chỳ ý ỏng k nhng nm 1970, mc dự ý tng v anten vi