Thiết kế anten vi dải băng tần kép

2.1 Tổng quan lý thuyết antenAnten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian tự do. Dựa vào các thông số kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như giản đồ bức xạ, mật độ công suất bức xạ, cường độ bức xạ, hệ số định hướng, hệ số tăng ích, băng thông, trở kháng vào…, ta có thể tính toán, thiết kế một anten theo đúng yêu cầu sử dụng.2.2 Anten vi dảiAnten vi dải là một trong sự phát triển công nghệ chế tạo linh kiện, các thiết bị di động, có kích thuớc rất nhỏ có cấu tạo gồm một lớp kim loại là mặt bức xạ, một lớp kim loại khác gọi là mặt dất (màn chắn kim loại ), một lớp diện môi giữa hai lớp kim loại trên và bộ phận tiếp diện. Anten vi dải có nhiều hình dạng nhý hình tròn, hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật... trong ðó, loại phổ biến nhất có kết cấu hình chữ nhật vì có hýớng tính, ðộ lợi cao ðồng thời dễ kết hợp với các mạch diện tử trên cùng một mạch in.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài

THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG TẦN KÉP

Người thực hiện : Nguyễn Thanh Tuấn

Người hướng dẫn : TS Trần Thị Hương

Đà Nẵng – 2014

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Tuấn

3

CW Clockwise

HFSS Hight Frequency Structure Simulator

Traveling-Wave Antennas

triển mạnh mẽ Việc các khối mạch số liên kết hữu tuyến đã dần được thay thế thành các hệ thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với các phương pháp

xử lý số tín hiệu cho phép truyền thông tin đi xa hơn, trên nền nhiễu lớn hơn, công suất phát thấp hơn và dải tần thông tin rộng hơn Do đó, quy mô hệ thống thông tin anten phải được chọn sao cho phù hợp

Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Không những thế, anten vi dải còn rất phù hợp với

cấu trúc mảng anten (array antenna) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn

thế nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong nhiều ứng dụng kĩ thuật cao

Đặc biệt WLAN hay WiFi là một công nghệ không dây đã được giới thiệu và phổ biến từ cuối những năm 1990, nó đã thực sự bùng nổ trong những năm gần đây Công nghệ WLAN phát triển theo các tiêu chuẩn : Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường Chuẩn 802.11b, 802.11g phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11Mb/s Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5GHz và có thể đạt đến 54 Mb/s Đồ án tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten vi dải đồng thời sẽ tính toán thiết kế anten vi dải cho hệ thống WLAN sử dụng chuẩn 802.11a

Trong đồ án này sử dụng phần mềm thông dụng để tính toán và mô phỏng anten vi dải là HFSS, nhờ vào ưu điểm giao diện 3D để có thể xem được một cách tổng quát về độ định hướng cũng như búp sóng

Hiểu được tầm quan trọng của vấn đề này, em đã chọn việc “ Thiết kế anten

vi dải băng tần kép 1.6GHz và 2.4GHz cho GPS và WIRELESS” làm đề tài cho đồ

án tốt nghiệp này Đề tài gồm các chương sau :

 CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT ANTEN

 CHƯƠNG 2 : ANTEN VI DẢI

5

hợp Dựa vào phân tích kết quả đồ án đã đưa ra được nguyên nhân gây ra sai lệch Đồng thời đề ra phương hướng giải quyết và phương hương nghiên cứu tiếp theo nhằm cải thiện các đặc tính anten.

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN1.1 Giới thiệu chương

Anten là thiết bị quang trọng trong các thiết bị vô tuyến, dùng để thu và bức

xạ năng lượng dưới dạng trường điện từ trong không gian.Việc tìm hiểu lý thuyết anten tạo cơ sở để thiết kế và phân tích hoạt động của anten

Ở chương này, em xin trình bày cấu trúc chung của anten, nguyên lý bức xạ

và các thông số cơ bản của anten

1.2 Lý thuyết về anten

1.2.1 Giới thiệu về anten

Anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng Hay nói cách khác anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng từ (anten thu) từ không gian bên ngoài Giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng

Trong hệ thống này, máy phát sẽ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện này sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát biến đổi sóng điện từ ràng buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian Trong các máy thu, anten có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự

7

do trong không gian bên ngoài Anten thu chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do an ten phát truyền đi, phần năng lượng còn lại sẽ bức xạ vào không gian Anten thu biến sóng điện từ tự do thành sóng điện từ ràng buộc rồi truyền qua các fide đến máy thu Hầu hết trong các thiết bị di động chỉ có một anten đảm nhận hai chức năng nhận và thu Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc biến đổi và truyền dẫn năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu.

Hình 1.2 thể hiện phương trình tương đương Thevenin của hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ở chế độ phát Nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lýtưởng Vg, anten được thể hiện bởi tải Z

R

được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng X

điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn từ máy phát sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ R

hao do điện môi và tổn hao do vật dẫn, mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 1.2 Mô hình tương đương Thevenin cho hệ thống anten.

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa nhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn, khi đó trên đường truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng Nếu thiết kế hệ thống anten không chính xác, đường truyền giống như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị dẫn sóng và truyền năng lượng Đường truyền dẫn có thể bị phá hủy nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn Tổng mất mát đường truyền phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng Tổn hao do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền tổn hao thấp, tổn hao do anten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng tải R

giảm đi và khả năng lưu trữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu bằng cách

phối hợp trở kháng giữa anten với đường truyền

Mô hình tương đương Thevenin của hệ thống anten ở chế độ thu tương tự như anten phát, nguồn được thay bằng bộ thu Tất cả các phần khác của mô hình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ R

độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten

9

Ngoài việc bức xạ hay thu nhận năng lượng, anten còn có nhiệm vụ định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo một vài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten cũng cần phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính Thực tế, anten có nhiều hình dạng khác nhau tùy mục đích cụ thể

1.3 Các thông số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm cơ bản của anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, độ định hướng, phân cực sóng, trở kháng

1.3.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng được truyền từ nguồn tới anten tạo 2 trường: một là trường cảm ứng (trường gần), trường này ràng buộc với anten, trường thứ hai là trường bức

xạ (trường xa) Tại khu vực gần anten (trong trường gần), cường độ các trường lớn

và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng truyền đến anten Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì do trường gần suy hao Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường vuông góc với nhau như hình 1.3

Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa.

Điện trường và từ trường bức xạ từ anten hình thành nên trường điện từ Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Sóng trên đường truyền đi, năng

lượng sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn trong không gian

Do đó mật độ năng lượng giảm đi khi ở xa anten

1.3.2 Giản đồ bức xạ

Anten bức xạ ra các tín hiệu vô tuyến tạo thành một trường điện từ Mỗi anten

có một giản đồ xác định Đặc tính định hướng của anten được thể hiện bởi giản đồ bức xạ này

Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten Trong các giản đồ bức xạ, hầu hết được xét ở trường xa của anten Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay

3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt

có bán kính không đổi Hệ tọa độ cầu thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạcủa anten như hình 1.4

11

Hình 1.4 Hệ tọa độ phân tích của anten

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Trong thực tế không có anten đẳng hướng Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều ra tất cả các hướng trong không gian Anten đẳng hướng là lý tưởng và rất khó để chế tạo, nhưng nó thường được sử dụng như một tham chiếu để thể hiện đặc tính định hướng của anten thực Anten hướng tính là anten có đặc tính bức xạ hay thu sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại

Hình 1.5 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten

Mặt phẳng E là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại Trong thực tếngười ta thường chọn hướng của anten thế nào đó để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ( mặt phẳng

x, mặt phẳng y hoặc mặt phẳng z)

Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H

13

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Hình 1.7 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính

Búp chính là búp chứa hướng bức xạ cực đại Trong hình 1.7, búp chính đang

Có thể có nhiều hơn một búp chính Búp phụ là bất kỳ búp nào, ngoại trừ búp chính Búp bên thường là búp liền sát với búp chính và theo hướng của búp chính Búp sau là búp bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 độ so với búp chính Thường thì búp phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với búp chính Búp phụ bức xạ theo các hướng không mong muốn Búp bên thường là búp lớn nhất trong các búp phụ Cấp của búp phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất theo hướng của búp đó với mật độ công suất của búp chính

Hình 1.8 Đồ thị của giản đồ công suất các búp

1.3.3 Mật độ công suất bức xạ

Mật độ công suất bức xạ[4] Sóng điện từ dùng để truyền thông tin qua môi trường vô tuyến hay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác Vector Poynting tức thời dùng để mô tả năng lượng kết hợp với sóng điện từ:

E Cường độ điện trường tức thời (V/m)

H Cường độ từ trường tức thời (A/m)Tổng công suất đi qua một mặt kín được tính bằng tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó

: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

da : vi phân diện tích của bề mặt (

2

m

) Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tính mật độ năng lượng trung bình bằng cách tính tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho

15

chu kỳ Mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời

bình theo thời gian có thể được viết lại là:

Thành phần ½ xuất hiện trong 1.5 và 1.6 bởi vì các trường E và H tính theo

biên độ Dựa trên định nghĩa 1.6, công suất trung bình bức xạ bởi anten (công suất bức xạ) có thể được định nghĩa là:

Nếu hướng không được xác định thì hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn.

Đơn giản hơn, hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ của anten theo hướng cho trước U và cường độ bức xạ của một

nguồn đẳng hướng U0:

17

P U

π

=

(1.11)Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau :

U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

Với các anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm

max 0

Với anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên

và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được

Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào, giản đồ, hệ số tăng ích, phân cực…của anten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau Tùy các ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp

1.3.7 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G) [4] Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực) Trong thực tế, tham số này đã đưa

công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào

(1.14)

19

1.3.8 Phân cực sóng

Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực sóng anten[4] Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại

Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vector trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng Một phân cực của anten có thể được phân loại như tuyến tính, tròn hay elip

Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểu diễn như sau :

Phân cực tròn

Phân cực tròn có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ bằng nhau và có

Hầu hết các anten vi dải cần phải phối hợp trở kháng chuẩn của nguồn và tải,

do đó việc tính toán trở kháng vào của anten là rất quan trọng Trở kháng vào [4]được định nghĩa: là trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó hay tỉ số điện áp

so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng của điện trường so với từ trường ở một điểm Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào, không

có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

ZA = RA+ j.XA

(1.21)Trong đó: ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω)

XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

Thành phần điện trở RA bao gồm 2 thành phần :

21

RA = Rr + Rl (1.22)

: trở kháng suy hao của anten (Ω)

Anten chỉ phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ ở một dải tần số nào đó Trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng, phương pháp tiếp điện cho anten và ảnh hưởng của môi trường

1.4 Kết luận chương

Trong chương này, chúng em đã giới thiệu lý thuyết cơ bản về anten Nêu ra các số cơ bản của anten Thấy được nguyên lý bức xạ của anten và nêu ra một số công thức cơ bản của anten Qua chương này, chung em đã có những kiến thức cơ bản để đi sâu vào tìm hiểu về anten vi dải ở chương sau

CHƯƠNG 2 ANTEN VI DẢI2.1 Giới thiệu chương

Anten vi dải là một trong sự phát triển công nghệ chế tạo linh kiện, các thiết

bị di động có kích thước ngày càng nhỏ Lý thuyết và kĩ thuật chế tạo anten vi dải đang được nghiên cứu rộng rải Etrong những năm gần đây và mang lại nhiều kết quả trong việc ứng dụng trong lĩnh vực thông tin di động

Trong chương này, phần tổng quan về anten vi dải, một số phương pháp cấp nguồn cơ bản, các thông số kỹ thuật của anten vi dải và bài toán thiết kế sẽ được giới thiệu

2.2 Giới thiệu chung về anten vi dải

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t << λ0, λ0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất nhỏ ( h << λ0, thường thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0) 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 λ0/3 < L< λ0/2 Patch

và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền như hình 2.1:

Hình 2.1 Anten vi dải

Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng

có hai loại là lớp nền điện môi dày và lớp nền điện môi mỏng Đối với lớp 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 Trong hầu hết các thiết kế anten thì lớp điện môi thường dùng 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 hạn chế sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn

2.2.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được thiết kế với nhiều dạng hình học khác nhau: hình vuông, hình bán cầu, tam giác, bán tròn, hình quạt, hình vành khuyên

Hình 2.2 Các dạng anten vi dải

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.

• 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(L<0.05 λ0) Đồ thị bức xạ của dipole vidải

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 thì chúng hầu như khác nhau

• 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

• Printed Slot Antenna

Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất

của một đế được nối đất (groundsubstrate) 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 trên anten Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến

endfire.

2.2.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)

Anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz

đến 100Ghz Dưới đây là những ưu điểm và khuyết điểm của MSA

 Ưu điểm

• Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản

xuất đồng thời với việc chế tạo anten

• Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng

cùng một vật liệu nền

 Khuyết điểm:

• MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai.

đất

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

thường được dùng

vị

• Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.

• GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.

2.2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải

Ban đầu, kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải bằng cách dùng đường truyền

vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến patch kim loại của anten vi dải Hiện nay, có nhiều cách cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn

sử dụng đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe, ghép gần Có rất nhiều yếu

tố tác động đến việc chọn nguồn cho anten vi dải Trong đó 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 là yếu tố quan trọng nhất

2.2.3.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Patch có thể được xem là một đường truyền vi dải hở do đó cấp nguồn bằng đường truyền vi dải cho anten vi dải trên cùng một lớp nền là một lựa chọn tự nhiên Vậy patch và anten có thể được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này có một vài hạn chế đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước của đoạn feed line là đáng kể so với patch

Hình 2.3 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

2.2.3.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Hình 2.4 Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Với cách cấp nguồn kiểu này thì phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với ground plan Với cách cấp nguồn kiểu này thì dễ dàng cho việc thiết kế vì có khả năng feed cho mọi vị trí trên bản patch do đó dễ dàng cho việc phối hợp trở kháng Tuy nhiên nhược điểm của nó là dùng đầu feed nên có phần ăn

ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng, 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 và 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

2.2.3.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe

Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe có cấu trúc bao gồm 2 lớp điện môi Patch được đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đường truyền feed line ở lớp điện môi dưới Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm

loại bỏ sự bức xạ không cần thiết của đường microstripline Tuy nhiên, phương thức

cấp nguồn này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten

Hình 2.5 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe

tần số cộng hưởng fo đồng thời thu được phổ tín hiệu mà không bị méo dạng tín hiệu.

Hình2.7 Băng thông của anten vi dải

Thông thường, trở kháng vào của mỗi anten là một hàm phụ thuộc vào tần số

Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (như tín hiệu xung số, tín hiệu

của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten thu) sẽ biến đổi, do đó làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và làm xuất hiện sóng phản xạ trong fide Khi đó ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau

và gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy, tốt nhất là phải đảm bảo được trong suốt dải tần làm việc: R

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi

nó làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức

xạ (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây ra méo dạng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế,

độ rộng dải tần (băng thông) của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào của anten theo tần số

2.2.5 Phối hợp trở kháng

Một trong các kỹ thuật thông thường nhất được sử dụng nhằm cải thiện băng thông là sử dụng một mạch phối hợp trở kháng Ta sẽ sử dụng các nhánh và các đoạn

vi dải ¼ bước sóng có thể được sử dụng cho việc phối hợp trở kháng này Thông thường mạch phối hợp trở kháng nên được đặt gần thành phần bức xạ nhất có thể Tuy nhiên, các chỗ không liên tục trong mạng phối hợp trở kháng cũng có thể bức

xạ, điều đó làm giảm sút đặc tính phân cực ngang (cross-polarization) của anten và mất mát của mạng phối hợp trở kháng nói chung hạn chế băng thông Do đó, băng thông có thể đạt được chỉ khoảng từ 10% tới 30%

Kỹ thuật phối hợp trở kháng được minh hoạ ở hình 2.8 Trong đó, người ta

sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất đồng thời phải thiết

kế sao cho trở kháng vào (Zin) nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Z

đường truyền dẫn sẽ không còn nữa, chỉ còn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều lần Quá trình phối hợp cũng được coi

là quá trình điều chỉnh

Hình 2.8 Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kì

và đường truyền dẫn sóng có trở kháng đặc trưng Z

0 .

Khi thực hiện phối hợp trở kháng với mục đích mong muốn là công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại và tổn thất trên đường truyền là cực tiểu Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu (Ssignal/Nnoise) của hệ thống khác trong

hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp

Khi tải và đường truyền được phối hợp sẽ không có sóng phản xạ trên đường truyền, do đó công suất truyền vào tải đạt cực đại, bằng với công suất đưa vào Khi

không đảm bảo việc phối hợp trở kháng sẽ xuất hiện sóng đứng trên đường truyền Nếu giá trị V

Hình 2.9 Anten với patch đơn băng rộng sử dụng thành phần chuyển tiếp 3D

(a) Patch "lơ lửng" với một thành phần chuyển tiếp 3D nghiêng.

(b) Patch "lơ lửng" với một thành phần chuyển tiếp 3D dựng đứng.

Anten và thành phần chuyển tiếp không được in trên bất kỳ một vật liệu điện môi nào Patch được chống ở tâm bởi một trụ (kim loại hoặc không phải kim loại) Thành phần chuyển tiếp có thể là dải kim loại độ rộng không thay đổi dựng nghiêng xuống tới mặt phẳng đất như thể hiện trong hình 2.9(a) hoặc có thể là một dải có độ rộng thon dần vuông góc với mặt phẳng đất như trong hình 2.9(b) Cả hai phương pháp này cho kết quả băng rộng Ưu điểm của anten này là có một băng thông VSWR rất lớn, khoảng 90%, tránh được các ảnh hưởng của sóng mặt và ảnh hưởng của độ phân bố (dispersion) của chất nền, hiệu suất cao hơn

2.3 Các mô hình phân tích anten vi dải

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích anten vi dải Mô hình phổ biến nhất là mô hình đường truyền ( microstrip line), mô hình hốc cộng hưởng ( capity model)

Việc đưa ra các mô hình phân tích có một ý nghĩa thực tiễn rất lớn vì các lí do:

cách tác động vào quá trình thiết kế

cách nghiên cứu các thông số của nó

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 nhất, nó cho ta một

sự hiểu biết vật lý sâu sắc nhưng kém chính xác và khó áp dụng cho các mô hình ghép, cũng như không thể áp dụng cho các anten có dạng phức tạp Chúng ta chỉ xét dạng anten vi dải phổ biến là patch hình chữ nhật

2.3.1 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 hình chữ nhật có thể được mô tả

như một mảng của hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng là W, chiều cao là h

và cách nhau một khoảng L Mô hình đường truyền cơ bản diễn tả anten vi dải gồm

L.

2.3.1.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects)

Do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, trường tại

gờ của patch bị viền Nhìn chung viền của một hàm theo các kích thước của patch

và chiều cao của lớp điện môi Trong mặt phẳng E-plane ( mặt phẳng x-y ), viền là hàm theo tỷ số giữa chiều dài patch, bề dài lớp điển môi (L/h), và hằng số điện môi

ε

Khi anten vi dải có L/h >>1, hiệu ứng viền được giảm bớt, tuy nhiên nó phải

được đưa vào tính toán vì nó ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng của anten

Như ta đã biết, hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp điện môi nền

>> 1,

những đường sức điện trường tập trung hầu hết trong nền điện môi Hiệu ứng viền[4] trong trường hợp này làm cho đường truyền vi dải trông có vẻ rộng về điện hơn kích thước thực của nó Khi đó một vài sóng đi vào lớp điện môi nền, và một số

được sử dụng để hiệu chỉnh các ảnh hưởng của hiệu ứng viền đối với sóng trên đường truyền

Để đưa ra hằng số điện môi hiệu dụng, chúng ta giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải với kích thước và chiều cao trên mặt phẳng đất nguyên thủy của nó được đưa vào một lớp điện môi đồng nhất như hình 2.10 Đối với một đường truyền

số điện môi hiệu dụng tiến tới giá trị của hằng số điện môi nền hơn

cơ bản Tại tần số trung gian các giá trị của nó bắt đầu tăng đều và cuối cùng tiến tới giá trị hằng số điện môi nền Giá trị ban đầu (tại tần số thấp) của hằng số điện môi hiệu dụng được diễn tả như một giá trị tĩnh

Hình 2.10 Hằng số điện môi hiệu dụng

Hằng số điện môi hiệu dụng được cho bởi công thức :

1 2

1 12

reff r reff

h W

2.3.1.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng

Cách tính chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng theo [4] Do hiệu ứng viền, patch của anten vi dải về mặt điện trông có vẻ lớn hơn

kích thước vật lý của nó trong mặt phẳng x-y Điều này được chứng minh trên hình

về mỗi

là hàm của hằng số điện môi hiệu dụng và tỷ số chiều rộng trên bề dày

điện môi (W/h) Khoảng chênh lệch giữa chiều dài điện và chiều dài thực này được

W h

εε

Khi chiều dài của patch được kéo dài một khoảng ∆L

về mỗi bên, chiều dài

của patch lúc này là :

L reff = L +2∆L

này là một hàm của chiều dài và được do bởi công thức:

0 010

0 0

1( )

r

v f

viền tác động đến chiều dài và hằng số điện môi hiệu dụng nên công thức trên phải được thay thế bằng :

( )( )

re r

f q

f

=

Hệ số q được diễn tả như là hệ số viền (hệ số suy giảm chiều dài) Khi chiều

cao của nền điện môi tăng hiệu ứng viền cũng tăng và dẫn đến sự khác biệt lớn giữa những rìa bức xạ và các tần số cộng hưởng thấp hơn