Tổng quan về angten và angten phi dải

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ (anten phát) thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên gọi anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng (guiding device), thể hình 1.1 Thông thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo fide tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự từ không gian bên biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten fide phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao không gây méo dạng tín hiệu Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten hình 1.1 làm việc chế độ phát thể hình 1.2, nguồn thể tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn thể đường dây với trở kháng đặc trưng Zc, anten thể tải ZA, ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể mát điện môi vật dẫn (conduction and dielectric loss), thành phần mát gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr gọi trở kháng xạ, thể xạ sóng điện từ anten Điện kháng XA thể phần ảo trở kháng kết hợp với xạ anten Ngoài sóng điện từ xạ khu xa, có trường điện từ dao động gần anten, giàng buộc với anten Phần công suất không xạ ngoài, mà chuyển thành lượng điện trường, chuyển thành lượng từ trường thông qua việc trao đổi lượng với nguồn Công suất gọi công suất vô công, biểu thị thông qua điện kháng XA Trong điều kiện lý tưởng, lượng tạo nguồn truyền hoàn toàn tới trở kháng xạ Rr Tuy nhiên, hệ thống thực tế, tồn mát điện môi mát vật dẫn (tùy theo chất đường truyền dẫn anten), tùy theo mát phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) điểm tiếp điện đường truyền anten Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten hình 1.1 Sóng tới bị phản xạ điểm tiếp điện đường truyền dẫn đầu vào anten Sóng phản xạ với sóng truyền từ nguồn thẳng tới anten giao thoa tạo thành sóng đứng (standing wave) đường truyền dẫn Khi đường truyền xuất nút bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứng điển hình thể đường gạch đứt hình 1.2 Nếu hệ thống anten thiết kế không xác, đường truyền chiếm vai trò thành phần lưu giữ lượng thiết bị truyền lượng dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại sóng đứng đủ lớn, chúng phá hủy đường truyền dẫn Tổng mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát đường truyền tối thiểu hóa cách chọn đường truyền mát thấp, mát anten giảm cách giảm trở kháng xạ R hình 1.2 Sóng đứng giảm khả lưu giữ lượng L đường truyền tối thiểu hóa cách phối hợp trở kháng anten với trở kháng đặc trưng đường truyền Tức phối hợp trở kháng tải với đường truyền, tải anten Một phương trình tương tự hình 1.2 sử dụng để thể hệ thống anten chế độ thu, nguồn thay thu Tất phần khác phương trình tương đương tương tự Trở kháng phát xạ R sử dụng r để thể chế độ thu nhận lượng điện từ từ không gian tự truyền tới anten Cùng với việc thu nhận hay truyền phát lượng, anten hệ thống không dây thường yêu cầu định hướng lượng xạ mạnh theo vài hướng triệt tiêu lượng hướng khác Do đó, anten cần phải có vai trò thiết bị xạ hướng tính Hơn nữa, anten phải có hình dạng khác để phù hợp cho mục đích cụ thể Anten lĩnh vực sôi động Công nghệ anten phần thiếu giải pháp truyền thông Nhiều cải tiến đưa thời gian cách 50 năm sử dụng ngày nay; nhiên kết thay đổi đưa ngày nay, đặc biệt nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày lớn 1.2 Các tham số anten 1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten Khi lượng từ nguồn truyền tới anten, trường tạo Một trường trường cảm ứng (trường khu gần), trường giàng buộc với anten; trường trường xạ (trường khu xa) Ngay anten (trong trường gần), cường độ trường lớn tỉ lệ tuyến tính với lượng lượng cấp tới anten Tại khu xa, có trường xạ trì Trường khu xa gồm thành phần điện trường từ trường (xem hình 1.3) Hình 1.3 Các trường xạ khu xa Cả hai thành phần điện trường từ trường xạ từ anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền nhận lượng điện từ thông qua không gian tự Sóng vô tuyến trường điện từ di chuyển Trường khu xa sóng phẳng Khi sóng truyền đi, lượng mà sóng mang theo trải diện tích ngày lớn Điều làm cho lượng diện tích cho trước giảm khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng 1.2.2 Giản đồ xạ Các tín hiệu vô tuyến xạ anten hình thành trường điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten sử dụng Giản đồ xạ thể đặc tính định hướng anten Giản đồ xạ anten định nghĩa sau: “là hàm toán học hay thể đồ họa đặc tính xạ anten, hàm tọa độ không gian” Trong hầu hết trường hợp, giản đồ xạ xét trường xa Đặc tính xạ phân bố lượng xạ không gian chiều hay chiều, phân bố hàm vị trí quan sát dọc theo đường hay bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ thường sử dụng để thể trường xạ hình 1.4 Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten Trong thực tế, ta biểu diễn giản đồ 3D hai giản đồ 2D Thông thường quan tâm tới giản đồ hàm biến θ với vài giá trị đặc biệt ϕ, giản đồ hàm ϕ với vài giá trị đặc biệt θ đủ để đưa hầu hết thông tin cần thiết Giản đồ đẳng hướng hướng tính Anten đẳng hướng anten giả định, xạ theo tất hướng Mặc dù lý tưởng thực mặt vật lý, người ta thường sử dụng tham chiếu để thể đặc tính hướng tính anten thực Anten hướng tính “anten có đặc tính xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo vài hướng hướng lại Một ví dụ anten với giản đồ xạ hướng tính thể hình 1.5 Ta nhận thấy giản đồ không hướng tính mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với [f (ϕ),θ = π/2] hướng tính mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g (θ), ϕ = const] Hình 1.5 Giản đồ xạ vô hướng anten Mặt phẳng E định nghĩa “mặt phẳng chứa vector điện trường hướng xạ cực đại”, mặt phẳng H định nghĩa “mặt phẳng chứa vector từ trường hướng xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng anten để mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ thể hình 1.6 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với ϕ = 0) mặt phẳng E mặt phẳng x-y (với θ = π/2) mặt phẳng H Hình 1.6 Giản đồ xạ mặt phẳng E mặt phẳng H cho anten loa Các búp sóng giản đồ xạ hướng tính Các búp sóng khác giản đồ xạ định hướng hay gọi thùy (lobe) phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên thùy sau Hình 1.7(a) minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với số thùy xạ Một vài thùy có cường độ xạ lớn thùy khác Nhưng tất chúng gọi thùy Hình 1.7(b) thể giản đồ 2D (một mặt phẳng hình 1.7(a)) Hình 1.7 Các búp sóng anten xạ hướng tính (a) Thùy xạ độ rộng chùm anten (b) Đồ thị giản đồ công suất thùy độ rộng chùm kết hợp với nó\ Thùy (cũng gọi chùm chính) định nghĩa “thùy chứa hướng xạ cực đại” Trong hình 1.7, thùy theo hướng θ = Có thể tồn nhiều thùy Thùy phụ thùy nào, ngoại trừ thùy Thường thường, thùy bên thùy liền sát với thùy định xứ bán cầu theo hướng chùm Thùy sau “thùy xạ mà trục tạo góc xấp xỉ 180 độ so với thùy Thường thùy phụ định xứ bán cầu theo hướng ngược với thùy Thùy phụ thể xạ theo hướng không mong muốn, chúng phải tối thiểu hóa Thùy bên thường thùy lớn thùy phụ Cấp thùy phụ thể tỷ số mật độ công suất theo hướng thùy với mật độ công suất thùy Tỉ số gọi tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên Trường khu gần trường khu xa Không gian bao quanh anten chia thành vùng; (a) trường gần tác động trở lại (reactive near-field), (b) trường gần xạ (radiating near-field, Fresnel) (c) trường xa (Fraunhofer) hình 1.8 Các vùng trường phân định để xác định cấu trúc trường vùng Không có thay đổi trường đột ngột qua biên giới vùng nói Các biên phân giới vùng trường nhất, có nhiều tiêu chuẩn khác sử dụng để xác định vùng trường Vùng trường gần tác động trở lại (reactive near-field region) định nghĩa “phần không gian trường gần trực tiếp bao quanh anten, xét khía cạnh trường tác động trở lại chiếm ưu thế” Trường giàng buộc với nguồn xạ trao đổi lượng với nguồn Với hầu hết anten, biên vùng tính khoảng cách R < 0,62√ đường kính lớn anten tính từ mặt phẳng anten, λ bước sóng D Hình Các vùng trường anten Vùng trường gần xạ (radiating near-field (Fresnel) region) định nghĩa “phần không gian nằm trường gần tác động trở lại trường xa, xét khía cạnh trường xạ chiếm ưu thế” Nếu đường kính cực đại anten không lớn so với bước sóng, vùng không tồn Biên tính khoảng cách R ≥ 0,62√ biên khoảng cách R < 2D2/ λ, D kích thước lớn anten Vùng trường xa (Far-field (Fraunhofer) region) Nếu anten có kích thước lớn D (D phải lớn bước sóng, D > λ ), vùng trường xa thường xem tồn khoảng cách lớn 2D2/ λ tính từ anten Trong vùng này, trường trường điện từ ngang Biên bên xem khoảng cách R = 2D2/ λ biên vô cực Trong vùng trường xa, dạng giản đồ xạ không thay đổi dịch chuyển điểm quan sát xa dần Điều minh họa hình 1.9 cộng hưởng), đặc tính anten (chẳng hạn trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất xạ) đạt giá trị chấp nhận Với anten dải rộng, băng thông thường biểu diễn tỉ số tần số tần số anten hoạt động với đặc tính chấp nhận Ví dụ, băng thông 10:1 rằng, tần số lớn 10 lần tần số (1.19) Với anten dải hẹp, băng thông thể tỉ lệ phần trăm sai khác tần số (tần số – tần số dưới) so với tần số trung tâm băng thông Ví dụ, băng thông 5% thể rằng, sai khác tần số 5% tần số trung tâm băng thông (1.20) Bởi đặc tính trở kháng vào, giản đồ xạ, hệ số tăng ích, phân cực, … anten không biến đổi giống theo tần số, nên có nhiều định nghĩa băng thông khác Tùy ứng dụng cụ thể, yêu cầu đặc tính anten chọn cho phù hợp 1.2.8 Phân cực Phân cực anten theo hướng cho trước định nghĩa sau: “là phân cực sóng truyền anten Chú ý: không đề cập tới hướng nào, phân cực xem phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại” Sự phân cực sóng xạ thể đầu mút vector điện trường tức thời, hướng mà vạch theo quan sát dọc theo hướng truyền sóng Một đường vạch theo đầu mút vector điện trường hàm thời gian thể hình 1.10(a) (b) a) b) Hình 1.10 Sự quay sóng điện từ phẳng phân cực elip hàm theo thời gian a) Sự quay vector điện trường b) Phân cực elip z = Phân cực phân thành loại: thẳng, tròn ellip Nếu đầu mút vector điện trường điểm không gian hướng theo đường thẳng, trường gọi phân cực tuyến tính Tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch elip, trường gọi phân cực ellip Phân cực tuyến tính tròn truờng hợp đặc biệt phân cực elip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ (clockwise, CW) gọi phân cực phải ngược kim đồng hồ (counterclockwise, CCW) gọi phân cực trái Trường tức thời sóng phẳng sóng truyền theo chiều âm trục z, biểu diễn sau: (1.21) Các thành phần tức thời có quan hệ với thành phần phức bởi: (1.22) ( 1.23) Ở đó, E E tương ứng biên độ cực đại thành phần trường theo xo yo trục x y Phân cực thẳng Để sóng xạ phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian thành phần phải là: (1.24) Phân cực tròn Phân cực tròn đạt biên độ thành phần giống nhau, khác pha theo thời gian chúng phải số lẻ lần π/2 Tức là: (1.25) (1.26) - (1.27) Nếu hướng truyền sóng bị đảo ngược (ví dụ, theo hướng +z), độ lệch pha (1.26) (1.27) cho hướng CW CCW phải trao đổi cho Phân cực elip Phân cực ellip đạt độ lệch pha theo thời gian thành phần số lẻ lần π/2 biên độ chúng không hay độ lệch pha thành phần không bội π/2 (không quan tâm đến biên độ chúng) Đó là: (1.28) (1.29) Hay: (1.30) Với phân cực ellip, đường cong quét vị trí cho trước hàm theo thời gian, nói chung ellip, hình 1.10(b) Tỉ lệ bán trục lớn bán trục nhỏ ellip gọi hệ số trục (axial ratio, AR), với: (1.31) Ở đó: (1.32) (1.33) Độ nghiêng ellip, có quan hệ với trục y, thể góc τ cho bởi: (1.34) Khi ellip thẳng với trục [τ = n π/2, n = 0, 1, 2, …], trục (phụ) với E (E ) hay E (E ) tỉ lệ trục (AR) E /E hay E /E x0 yo yo xo x0 yo yo xo 1.2.9 Trở kháng vào Trở kháng vào định nghĩa sau: “trở kháng anten điểm đầu vào hay tỉ số điện áp so với dòng điện đầu vào hay tỉ số thành phần tương ứng điện trường so với từ trường điểm” Trong phần này, quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào đầu vào anten Tỉ số điện áp dòng điện đầu vào này, tải, xác định trở kháng anten sau: ZA = RA + jXA (1.35) Trong đó, Z trở kháng anten đầu vào (Ohm) A R điện trở anten đầu vào (Ohm) A X điện kháng anten đầu vào (Ohm) A Nói chung, thành phần điện trở (2.35) bao gồm thành phần là: R =R +R A r L (1.36) Trong đó, R trở kháng xạ (radiation resistance) anten r R trở kháng mát (loss resistance) anten L Trở kháng vào anten nói chung hàm tần số Do đó, anten phối hợp tốt với đường tiếp điện dải tần Thêm nữa, trở kháng vào anten phụ thuộc vào yếu tố như: hình dạng anten, phương pháp tiếp điện cho anten, ảnh hưởng đối tượng bao quanh Do phức tạp chúng, lượng giới hạn anten thực tế nghiên cứu phân tích tỉ mỉ Với loại anten khác, trở kháng vào xác định thực nghiệm ĐƢỜNG TRUYỀN VI DẢI VÀ ANTEN VI DẢI 2.1 Đƣờng truyền vi dải 2.1.1 Cấu trúc đƣờng truyền vi dải Đường truyền vi dải sử dụng nhiều môi trường truyền dẫn mạch tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải cấu trúc mạch in “cấp cao”, bao gồm dải dẫn điện đồng kim loại khác chất cách điện, mặt điện môi phủ đồng gọi mặt phẳng đất Ta thấy mặt phẳng đất mặt phản xạ Do đó, đường truyền vi dải xem đường truyền gồm dây dẫn Hình 1.11 Cấu trúc đường truyền vi dải Có hai tham số độ rộng dải dẫn điện W chiều cao điện môi h Một tham số quan trọng khác số điện môi tương đối chất ε Độ dày r dải dẫn điện t điện dẫn suất σ tham số quan trọng bỏ qua 2.1.2 Cấu trúc trƣờng đƣờng truyền vi dải Sóng truyền đường truyền vi dải sóng có dạng gần với TEM (quasiTEM) Điều có nghĩa có vài vùng có thành phần điện trường từ trường theo hướng truyền sóng Hình 1.12 thể giản đồ trường điện từ đường truyền vi dải Hình 1.12 Giản đồ trường đường vi dải Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện, mặt tiếp giáp chất điện môi không gian xung quanh không khí Các đường sức điện trường không liên tục mặt tiếp giáp Điều kiện biên cho điện trường thành phần tiếp tuyến điện trường phải liên tục truyền xuyên qua biên; chất có số điện môi 10, điện trường giảm đột ngột 10 lần so với không khí Mặt khác, thành phần tiếp tuyến (song song với bề mặt dải dẫn điện) điện trường phải liên tục xuyên qua biên Do đó, phần lượng điện trường lưu trữ không khí phần lưu trữ điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng sóng đường truyền nằm giá trị số điện môi không khí số điện môi chất 2.2 Anten vi dải 2.2.1 Giới thiệu chung Khái niệm anten vi dải lần đưa Deschamps vào năm 1953, Gutton Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên tới tận năm 1972 người ta vào chế tạo anten vi dải, thời điểm xuất chất có đặc tính tốt Như hình 1.13, anten vi dải với cấu hình đơn giản bao gồm patch phát xạ nằm mặt chất điện môi (ε