Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải cho hệ thống thu vệ tinh tầm thấp

Người ta dự định có thể sử dụng thiết bị đầu cuối mặt đất với kích thước nhỏ chỉ bằng cuốn sổ tay, hiện nay mong muốn này đang dần được hiện thực hóa, kích thước của các thiết bị di động

LỜI NÓI ĐẦU

Lời đầu tiên, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình tới

TS Phạm Hải Đăng - người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình tìm hiểu học tập và nghiên cứu tại Viện Điện tử- Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới bạn Đinh Văn Liêm, người đã nhiệt tình giúp

đỡ, chia sẻ những kiến thức, hiểu biết của mình giúp tôi có thể hoàn thành được luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, các Cô Viện Điện tử- Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học hỏi thông qua các môn học cũng như hoàn thành khoá học

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân và bạn bè đồng nghiệp đã khích lệ và động viên tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của chính bản thân tôi Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và mô phỏng thực tế của mình, mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt

kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong này

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ ANH VIỆT 5

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 12

1.1 Lịch sử ra đời 12

1.2 Các loại quỹ đạo trong thông tin vệ tinh 12

1.3 Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh 13

1.4 Các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh 15

1.5 Hệ thống vệ tinh tầm thấp LEO 16

CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI ……… 19

2.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 19

2.1.1 Khái niệm anten 19

2.1.2 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 21

2.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN VI DẢI 23

2.2.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 24

2.2.2. Đặc tính của anten vi dải (Microstrip antenna - MSA) 27

2.2.4 Băng thông của MSA 32

2.2.5 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải 33

2.2.6 Trường bức xạ của anten vi dải 35

2.2.7 Sự phân cực sóng 39

2.3 CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI 40

2.3.1 Mô hình đường truyền (Transmission line) 41

2.3.1.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 41

2.3.1.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng 43

2.3.1.3 Điện dẫn 45

2.3.1.4 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng 46

2.3.2 Mô hình hốc cộng hưởng 49

2.3.2.1 Các mode trường – TMx 52

2.3.2.2 Trường bức xạ - Mode TMx 010 55

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN TỬ ANTEN ĐƠN HOẠT ĐỘNG TRÊN HAI BĂNG TẦN L VÀ S 60

3.1 Yêu cầu thiết kế phần tử anten đơn 60

3.2 Thiết kế chế tạo và đo kiểm phần tử đơn 60

3.3 Kết quả thu được và đánh giá 68

CHƯƠNG 4 : SỰ TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG MẢNG ANTEN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẢNG ANTEN HAI BĂNG TẦN L,S 72

4.1 Sự tương hỗ giữa các phần tử trong mảng anten 72

4.1.1 Giới thiệu 72

4.1.2 Sự tươ1ng hỗ trong mảng anten phát 72

4.1.2.1 Khái niệm trở kháng tương hỗ 73

4.1.2.2 Ảnh hưởng của tương hỗ đến đồ thị bức xạ 75

4.1.2.3 Ảnh hưởng của mảng nhiều thành phần 77

4.1.3 Hiện tượng tương hỗ trong mảng anten thu 78

4.1.3.1 Định nghĩa trở kháng tương hỗ của mảng anten nhận 78

4.1.3.2 Ảnh hưởng đối với mảng nhiều thành phần khác nhau 79

4.1.4 Khảo sát sự tương hỗ của các phần tử anten trong mảng 80

4.1.4.1 Mục tiêu 80

4.1.4.2 Phương pháp thực hiện 80

4.1.4.3 Kết quả khảo sát tương hỗ 80

4.1.5 Kết luận 82

4.2 Thiết kế và chế tạo mảng anten hai băng tần L và S 82

4.2.1 Thiết kế bộ chia công suất cho ghép mảng 4 phần tử 83

4.2.1.1 Thiết kế bộ chia công suất đồng pha 83

4.2.1.2 Kết quả mô phỏng và chế tạo bộ chia công suất đồng pha 86

4.2.2 Thiết kế và chế tạo mảng 4 phần tử 88

4.2.3 Thiết kế và chế tạo mảng 16 phần tử 89

4.2.3.1 Kết quả mô phỏng mảng 16 phần tử trên HFSS 90

4.2.3.2 Chế tạo và đo kiểm mảng anten 16 phần tử phân cực tròn cho ứng dụng vệ tinh băng tần L,S 92

4.2.4 Kết luận 93

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ ANH VIỆT

EIRP Equivalent Isotropic Radiated

Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GSO Geostationary Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

HFSS High Frequency Structural

Simulator

Phần mềm mô phỏng cấu trúc cao tần của ANSOFT

HPBW Half-Power Beam Width Búp sóng nửa công suất

MTA Microstrip Traveling-Wave

PNA Network Analyzers Máy phân tích mạng cao tần

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 : Các ký hiệu băng tần 14

Bảng 1-2 : Các hệ thống LEO và hệ thống tương ứng mặt đất 17

Bảng 1-3 : Các dịch vụ của hệ thống LEO 18

Bảng 3-1 : Thông số của phần tử anten đơn (đơn vị : mm) 68

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2-1 : Một số loại anten 19

Hình 2-2 : Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện đơn giản 21

Hình 2-3: Trường bức xạ của 1 anten 22

Hình 2-4 : Anten vi dải 23

Hình 2-5 : Các dạng anten vi dải thông dụng 24

Hình 2-6 : Anten vi dải lưỡng cực 25

Hình 2-7 : Anten vi dải khe mạch in 26

Hình 2-8 : Anten vi dải sóng chạy 27

Hình 2-9 : Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 29

Hình 2-10 : Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 30

Hình 2-11 : Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled 31

Hình 2-12 : Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled 31

Hình 2-13 : Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật 33

Hình 2-14 : Mô hình đường truyền 43

Hình 2-15 : Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng của miếng patch 44

Hình 2-16 : Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền 45

Hình 2-17 : Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp 48

Hình 2-18 : Phân bố điện tích và dòng điện 50

Hình 2-19 : Phân tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ 52

Hình 2-20 : Các mode trường bức xạ anten vi dải 54

Hình 3-1 : Thành phần bức xạ khe hẹp 61

Hình 3-2 : Phần tử anten đơn cộng hưởng 2 band tần 63

Hình 3-3 : Phần tử anten đơn qua các bước thiết kế 63

Hình 3-4 : Phân bố dòng điện của cấu trục phân cực tròn trên băng tần S 64

Hình 3-5 : Bức xạ khe hẹp 64

Hình 3-6 : Cấu trúc đế điện môi 2 lớp 65

Hình 3-7 : Mô hình tương đương của phần tử anten đơn tiếp điện vi dải 66

Hình 3-8 : Cấu trúc tiếp điện đường truyền vi dải 66

Hình 3-9 : Bộ biến đổi 1/4 bước sóng 67

Hình 3-10 : Phần tử anten đơn hoạt động 2 băng tần, phân cực tròn 67

Hình 3-11 : Hệ số phản xạ S11 của phần tử anten đơn 68

Hình 3-12 : Hệ số phản xạ S11 của phần tử anten đơn khi thay đổi lần lượt ls và W 69 Hình 3-13 : Đồ thị bức xạ của phần tử anten đơn ở tần số 1,7GHz (a) và 2,25GHz (b) 70

Hình 3-14 : Hệ số tăng ích của anten tại tần số 1,7GHz (a) và 2,25GHz (b) 70

Hình 3-15 : Tỷ lệ trục của anten tại tần số 1,7GHz (a) và 2,25GHz (b) 71

Hình 3-16 : Kết quả đo S11 phần tử anten đơn 71

Hình 4-1 : Mô hình 2 phần tử anten phát 73

Hình 4-2 : Mô hình tương đương của 2 dipol 73

Hình 4-3 : Thay đổi trở kháng tương hỗ khi thay đổi khoảng cách giữa 2 phần tử 75

Hình 4-4 : Mô hình định nghĩa trở kháng tương hỗ của mảng anten nhận 79

Hình 4-5 : Kết quả khảo sát tương hỗ 81

Hình 4-6 : Kết quả khảo sát tương hỗ (tiếp) 81

Hình 4-7 : Kết quả kiểm tra tương hỗ thông qua ma trận tán xạ S11 và S12 82

Hình 4-8 : Kết quả kháo sát tương hỗ thông qua ma trận tán xạ S13 và S14 82

Hình 4-9 : Bộ chia công suất Wilkinson 83

Hình 4-10 : Mạch ghép Wilkinson được chia thành 2 mode 83

Hình 4-11 : Các mode chẵn được chia làm 2 thành phần độc lập với nhau 84

Hình 4-12 : Mode lẻ được chia thành 2 thành phần độc lập nhau 85

Hình 4-13 : Sơ đồ mạch ghép và chia công suất với nguồn vào tại cửa 3 86

Hình 4-14 : Bộ chia công suất Wilkinson với nguồn ghép vào cửa 3 (R hở mạch) 86 Hình 4-15 : Kết cấu bộ chia công suất đồng pha dải rộng 87

Hình 4-16 : Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm bộ chia công suất đồng pha 87

Hình 4-17 : Mô phỏng anten mảng 4 phần tử 88

Hình 4-18 : Kết quả chế tạo thực tế mảng 4 phần tử 88

Hình 4-19 : Đồ thị bức xạ của mảng mô phỏng trên HFSS 89

Hình 4-20 : Kết quả đo pha của cáp trên PNA_X 89

Hình 4-22 : Kết quả mô phỏng tham số S và tỷ số trục của mảng 91

Hình 4-23 : Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ trên phần mềm HFSS 92

Hình 4-24 : Mảng anten thực tế 93

Hình 4-25 : Kết quả đo S11 trên PNA_X 94

Hình 4-26 : Đồ thị Smith của mảng trên PNA_X 95

MỞ ĐẦU

Hiện nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một hình thức thông tin phổ biến và rất

đa dạng Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu, nó cung cấp các dịch vụ hết sức đa dạng như các dự báo thời tiết, chụp ảnh, quan sát trái đất, nghiên cứu khoa học hay truyền hình trực tiếp các

sự kiện thể thao, văn hóa, chính trị; cung cấp các dịch vụ định vị, dịch vụ thoại, nhắn tin, các dịch vụ đa phương tiện và truyền dữ liệu tốc độ cao Với ưu điểm về tầm phủ sóng rộng lớn, hệ thống thông tin vệ tinh có thể cung cấp dịch vụ cho những vùng xa xôi, hẻo lánh nhất trên trái đất mà các hình thức thông tin khác không thể hoặc cung cấp với chi phí rất cao

Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh được thiết lập với nhiều quỹ đạo khác nhau, mỗi loại quỹ đạo này đều có những ưu nhược điểm riêng, tùy theo các loại hình dịch vụ mà người ta sử dụng các loại quỹ đạo phù hợp Trong các loại quỹ đạo thông tin vệ tinh, quỹ đạo tầm thấp LEO, đang được sử dụng ngày càng rộng rãi do giá thành thấp và tốc độ cao, độ trễ nhỏ

Một trong những thành phần quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của thông tin vô tuyến nói chung và thông tin vệ tinh nói riêng đó là anten Đối với vệ tinh địa tĩnh, vị trí của vệ tinh cố định so với trái đất nên anten luôn nhìn

vệ tinh dưới một góc không đổi, do đó hướng của anten là cố định; đối với vệ tinh tầm thấp LEO, quỹ đạo vệ tinh thay đổi nên góc nhìn vệ tinh của anten phải thay đổi, muốn làm điều đó có thể sử dụng 2 biện pháp :

- Biện pháp thứ nhất : Sử dụng cơ cấu cơ khí để xoay anten

- Biện pháp thứ hai : Chế tạo các loại anten có vùng phủ rộng

Đối với các trạm cố định trên mặt đất, biện pháp thứ nhất tương đối hiệu quả, tuy nhiên đối với các phương tiện di chuyển như máy bay, tàu biển, biện pháp này bộc lộ hạn chế do các phương tiện này rung, lắc khi di chuyển hoặc có tốc độ di chuyển quá nhanh, do đó người ta sử dụng biện pháp thứ hai

Trong luận văn này, tôi sẽ trình bày về đề tài Nghiên cứu thiết kế antenna vi dải

phần tử anten đơn, có thể hoạt động trên 2 băng tần L và S Luận văn bao gồm 4 chương :

- Chương 1 : Tổng quan về thông tin vệ tinh

- Chương 2 : Lý thuyết chung về anten và anten vi dải

- Chương 3 : Thiết kế và chế tạo phần tử anten đơn hoạt động trên hai băng tần L và S

- Chương 4 : Sự tương hỗ giữa các phần tử trong mảng anten Thiết kế và chế tạo mảng anten hai băng tần L,S

1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Lịch sử ra đời

- Vệ tinh nhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 của Liên Xô, được phóng lên quỹ đạo

vào ngày 4 tháng 10 năm 1957 Vệ tinh này được trang bị máy phát radio làm việc trên hai tần số 20,005 và 40,002MHz Đây là sự kiện đánh dấu sự bắt đầu của thông tin vệ tinh

- Năm 1958, bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SOCRE của Mỹ bay ở

quỹ đạo thấp Nó được sử dụng để ghi và gửi lời chúc mừng giáng sinh đến thế giới của tổng thống Mĩ Dwight D Eisenhower

- Năm 1964 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT

- Cuối năm 1965, Liên Xô phóng vệ tinh thông tin MOLNYA lên quỹ đạo

elip

- Năm 1972-1976, Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho

thông tin nội địa

- Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh

INMARSAT

- Năm 1984, Nhật Bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tuyến qua

vệ tinh

- Năm 1987, thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động

- Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh đang tiếp tục phát triển và có rất nhiều

ứng dụng trong đời sống của con người

1.2 Các loại quỹ đạo trong thông tin vệ tinh

Tùy thuộc vào độ cao của quỹ đạo vệ tinh so với mặt đất, hệ thống thông tin vệ tinh được chia thành [4]

- Quỹ đạo elip cao (HEO – Highly Elpitical Orbit ) : quỹ đạo khoảng 40.000

km

- Quỹ đạo địa tĩnh (GSO – Geostationary Orbit hay GEO – Geostationary

Earth Orbit) : khoảng 36.000 km

- Quỹ đạo trung (MSO – Medium Earth Orbit) : quỹ đạo khoảng 10.000 km

- Quỹ đạo thấp (LEO – Low Earth Orbit ) : khoảng 500-2.000 km

1.3 Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh

Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch Phân bố tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đoàn viễn thông quốc tế (ITU) Để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới được chia thành ba vùng :

- Vùng 1 : Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô cũ và Mông Cổ

- Vùng 2 : Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh

- Vùng 3 : Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương

Trong các vùng này băng tần được phân bố cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác nhau Các dịch vụ do các vệ tinh cung cấp bao gồm :

Từng phân loại trên lại được chia thàng các phân nhóm dịch vụ, chẳng hạn dịch

vụ vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp Các dịch vụ vệ tinh quảng bá có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS : Direct Broadcast Satellite), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH : Direct to home) Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm : di động mặt đất, di động trên biển và di động trên

máy bay Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị toàn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu

di động và các hệ thống đạo hàng Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần bằng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4 đến 6 GHz Hầu như các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thường băng C được ký hiệu 6/4 GHz trong đó số viết trước là tần số đường lên Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp trong băng Ku, dải thường được sử dụng là vào khoảng từ 12 – 14 GHz và được ký hiệu là 14/12 GHz Mặc dù các ấn định tần số được thực hiện cụ thể hơn và chúng

có thể nằm ngoài các giá trị trích dẫn ở đây ( chẳng hạn các ấn định tần số của băng

Ku có thể là 14,030 GHz và 11,730 GHz), các giá trị gần đúng được đưa ra ở trên hoàn toàn thỏa mãn cho các tính toán có liên quan đến tần số [4]

1.4 Các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh

Hệ thống thông tin di động vệ tinh đã trải qua những biến đổi cách mạng, bắt đầu từ hệ thống thông tin di động vệ tinh hàng hải (INMARSAT) với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (GSO) Năm 1996, INMARSAT phóng 3 trong số 5 vệ tinh của INMARSAT 3 để tạo ra các chùm búp hẹp chiếu xạ toàn cầu Với cùng một công suất phát, các chùm búp hẹp tạo ra được EIRP lớn hơn nhiều so với các chùm búp toàn cầu Nhờ vậy việc thiết kế đầu cuối mặt đất sẽ đơn giản hơn vì đầu cuối mặt đất sẽ nìn thấy anten vệ tinh với tỷ số giữa hệ số khuếch đại anten và nhiệt độ tạp

âm của hệ thống (G/Ts) lớn hơn và EIRP đường xuống sẽ lớn hơn Người ta dự định

có thể sử dụng thiết bị đầu cuối mặt đất với kích thước nhỏ chỉ bằng cuốn sổ tay, hiện nay mong muốn này đang dần được hiện thực hóa, kích thước của các thiết bị

di động đặt trên mặt đất hoặc trên xe của hệ thống thu tín hiệu từ các vệ tinh GSO

đã được thu nhỏ, chỉ tương đương với kích thước của một chiếc vali Với EIRP từ

vệ tinh đủ lớn, các máy di động có thể sử dụng các anten có kích thước trung bình cho dịch vụ thu số liệu và thoại Tuy nhiên vẫn chưa thể cung cấp dịch vụ này cho các máy thu phát cầm tay

Để đảm bảo hoạt động ở vùng sóng viba thấp cho các bộ thu phát cầm tay ở hệ thống vệ tinh GSO cần có anten dù mở (hệ số khuếch đại anten cao) đặt được bên trong thiết bị phóng và công suất phát bổ sung Chẳng hạn ở băng L (1 – 2 GHz), kích thước anten có thể từ 10 đến 15m Sở dĩ cần như vậy vì máy thu phát cầm tay

có công suất phát thấp (vài trăm mW) và hệ số khuếch đại anten thấp (0 đến 3dB) Công suất phát của máy cầm tay phụ thuộc vào pin hoặc acqui và trọng lượng của

nó, nhưng quan trọng hơn là an toàn cho người sử dụng Vì thế các vùng dưới mặt đất đòi hỏi mật độ thông lượng công suất đến anten cao hơn ( đạt được nhờ EIRP cao) và tỷ số G/Ts ở vệ tinh cao (anten thu vệ tinh có hệ số khuếch đại cao) để bắt được tín hiệu yếu từ máy phát của máy cầm tay

Hiện nay, hãng vệ tinh di động Mỹ (AMSC) có thể cung cấp dịch vụ vệ tinh GSO cho máy thu phát có kích thước bằng một chiếc vali, hãng này sử dụng các vệ sinh GSO đặt ở 1010W Vệ tinh này đảm bảo dịch vụ cho tông tin của người sử

dụng ở băng L và sử dụng băng Ku (11 – 18 GHz) để trao đổi thông tin với trạm mặt đất, nơi kết nối với mạng PSTN

Tất cả các vệ tinh di động cung cấp dịch vụ tiếng phụ thuộc vào anten trạm mặt đất có tính hướng (G > 10dB) Có thể sử dụng các anten có hệ số khuếch đại thấp hơn nhưng chỉ có thể cung cấp dịch vụ cho tốc độ số liệu thấp hoặc nhắn tin (các dịch vụ phi thoại)

Hiện nay thông tin di động vệ tinh đang chuyển sang dịch vụ thông tin di động

cá nhân (PCS) với các máy thu phát cầm tay Đối với ứng dụng này các vệ tinh phải

có quỹ đạo thấp (LEO) và quỹ đạo trung (MEO) Các vệ tinh này sử dụng các chùm búp hẹp chiếu xạ mặt đất để tạo thành cấu trúc tổ ong giống như các hệ thống tổ ong mặt đất Tuy nhiên do vệ tinh bay nên các chùm búp này di động và cơ bản trạm di động có thể coi là dừng đối với các búp hẹp (tổ ong) chuyển động khá nhanh Cũng có thể lập trình các búp hẹp này để quét sóng các vùng phục vụ mặt đất và duy trì chiếu cố định như một hệ thống tổ ong Tuy nhiên điều này đòi hỏi các anten phức tạp hơn, chẳng hạn dàn chỉnh pha hay anten quét cơ khí hoặc điều khiển độ cao của quỹ đạo vệ tinh

Một số hãng đang đưa ra các đề án LEO hay MEO để cung cấp cả dịch vụ truyền số liệu và tiếng Chủ yêu các dịch vụ số liệu được cung cấp bởi các hệ thống thông tin vệ tinh LEO nhỏ, còn việc cung cấp đồng thời cả số liệu và tiếng sẽ được thực hiện bởi các hệ thống LEO lớn Nói chung các vệ tinh của LEO phức tạp và đắt tiền hơn [4]

1.5 Hệ thống vệ tinh tầm thấp LEO

Thông thường, các vệ tinh thông tin thường hoạt động ở quỹ đạo địa tĩnh GSO, khoảng 35.000km trên đường xích đạo và các vệ tinh ở quỹ đạo trái đất thấp LEO được sử dụng để theo dõi thời tiết, lập bản đồ tài nguyên và đặt các cảm biến theo dõi trái đất Trong thời gian gần đây, cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp thông tin liên lạc vệ tinh đang diễn ra, đó là mạng lưới vệ tinh tầm thấp LEO đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong hệ thống thông tin tốc độ cao

Các vệ tinh LEO thường bay ở độ cao từ 500km đến 2000km, độ cao thấp Thời gian trễ trọn vòng khi sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh LEO rất nhỏ so với khoảng nửa giây khi sử dụng hệ thống GSO Vì những lý do rất tự nhiên, các hệ thống thông tin vệ tinh LEO là những hệ thống toàn cầu, có khả năng cung cấp dịch

vụ cho tất cả các khu vực trên thế giới

Hệ thống LEO nhỏ Hệ thống LEO lớn Hệ thống LEO

băng rộng

Hệ thống điển

hình

ORBCOMM Starsys

IRIDIUM Globalstar ICO

hệ thống LEO băng thông rộng (Broadband LEOs) Cách tốt nhất để phân biệt các

hệ thống này là tham chiếu đến các hệ thống mặt đất tương ứng của chúng như

trong bảng 1-2 (theo [8])

Trên mặt đất, các hệ thống nhắn tin (một kiểu truyền dữ liệu một chiều đến thiết

bị di động để thông báo cho người dùng, các thông tin trong bản tin có thể gồm một

số điện thoại của người dùng để gọi, một tin nhắn ngắn hoặc một thông tin cập nhật), mạng di động tế bào, mạng cáp là các dịch vụ hoàn chỉnh, không cạnh tranh lẫn nhau bởi nó cung cấp các loại dịch vụ cơ bản khác nhau Tương tự như vậy các

hệ thống LEO nhỏ, LEO lớn và LEO băng thông rộng bổ sung cho nhau chứ không cạnh tranh lẫn nhau bởi chúng cung cấp các dịch vụ thực sự khác nhau, nhắm vào các thị trường khác nhau và có cấu trúc giá cả khác nhau

Ứng dụng điển hình của các hệ thống LEO được thể hiện trong bảng 1-3 Tất

LEO băng thông rộng có thể cung cấp các ứng dụng của hệ thống LEO lớn và LEO nhỏ, tuy nhiên về mặt hiệu quả kinh tế, điều này không được khuyến khích [8]

Hệ thống LEO băng thông rộng

- Hội nghị truyền hình đa phương tiên

2 CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ

ANTEN VI DẢI

2.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN

2.1.1 Khái niệm anten

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

- Dùng các hệ thống truyền dẫn, nghĩa là các hệ thống dẫn song điện từ như

đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn song kim loại hoặc điện môi, v.v… Sóng điện từ lan truyền trong các hệ thống này gọi là loại sóng điện

Một hệ thống thông tin 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 và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường

truyền năng lượng điện từ gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện từ cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten

phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện

từ ràng buộc trong fide 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 fide tới máy thu Nhưng cần lưu ý rằng năng lượng điện từ mà anten thu tiếp nhận từ không gian ngoài sẽ chỉ có một phần được truyền tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp)

Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hang, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ

xa, v.v…

Ngoài ra, để kích thích sóng điện từ trong các hệ thống định hướng như ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng, v.v… người ta có thể sử dụng thêm các kết cấu tương tự như anten

Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có 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 có thể nhận được tín hiệu từ đài phát; song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng thẳng đứng với hướng cực đại song song với 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 thông tin vệ tinh, thông tin truyền tiếp, rađa, vô tuyến điều khiển v.v… thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính 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 thánh sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo các hướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật cho trước

Hình 2-2 : Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện đơn giản

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển, v.v… cũng yêu cầu 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 cảm thụ sóng, bao gồm các phần tử anten (dùng

để thu hoặc phát), 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 (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện

cùng với thiết bị anten được cho như trên hình 2-2 [1]

2.1.2 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian, bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ Trước hết, trường

từ biến thiên sinh ra trường điện biến thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo

ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên Quá trình này lặp

đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau

là trường điện (E) và trường từ (H) Hai trường này vuông góc với nhau và vuông

góc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian (xem hình 2-3)

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten, nó sẽ hình thành hai trường Một

trường là trường cảm ứng (trường khu gần – near field), trường này bị ràng buộc

với anten, có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten

Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa – far field) gồm hai thành phần là điện

trường và từ trường

Hình 2-3: Trường bức xạ của 1 anten

Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự

do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường khu xa là một sóng phẳng; khi sóng truyền đi, năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng

dần theo khoảng cách Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng

2.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN VI DẢI

Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào

năm 1953 Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới

được chế tạo Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson và được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t <<

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 2-4

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

điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2,2< ε r < 12 Những lớp điện môi

được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Nền mỏng với hằng số điện môi lớn hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên vì sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn

2.2.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống

khác Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông

(square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular ring)

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 vi dải sóng chạy

Hình 2-5 : Các dạng anten vi dải thông dụng

 Anten patch vi dải

Một anten patch vi dải,có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng,nằm trên một mặt của chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến được mô tả ở hình 2-5, chúng có đặc tính bức xạ gần giống nhau mặc dù hình dạng khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình tròn được sử dụng nhiều nhất Thông thường chúng có độ lợi từ 5 – 6 dB và có độ rông búp sóng – 3dB ở -

Hình 2-6 : Anten vi dải lưỡng cực

 Anten vi dải lưỡng cực (Microstrip Dipole Antenna)

Về mặt hình học, anten vi dải lưỡng cực chỉ khác anten patch hình chữ nhật ở tỉ

lệ của chiểu rộng và chiều dài (hình 2-6) Chiều rộng của một anten lưỡng cực thường nhỏ hơn 0.05 Thành phần bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch cũng tương tự nhau do chúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc Tuy nhiên điện trở bức xạ và băng thông của chúng lại rất khác nhau Vi dải lưỡng cực không những có nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ, phân cực tuyến tính… mà nó còn là lựa chọn thích hợp với yêu cầu hoạt động ở tần số cao,khi độ dày của chất nền lớn

 Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna)

Anten khe mạch in có một khe trên mặt phẳng đất Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng trên thực tế, chỉ một số loại khe được sử dụng như hình 2-7

Hình 2-7 : Anten vi dải khe mạch in

Giống như anten patch vi dải, anten khe có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải hay sóng dẫn phẳng Anten khe có thể bức xạ ở cả 2 chiều của khe

Hình 2-8 : Anten vi dải sóng chạy

 Anten vi dải sóng chạy - Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)

Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường truyền

vi dải đủ dài để hỗ trợ TM mode (hình 2-8) Đầu cuối của anten sóng chạy được phối ghép với một mạch phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng phản xạ trong đường truyền

2.2.2 Đặc tính của anten vi dải (Microstrip antenna - MSA)

Anten vi dải (MSA) có nhiều ưu điểm so với các loại anten truyền thống khác

Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz

đến 100Ghz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng

với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

 Ưu điểm:

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

- Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt

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

- Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất

đồng thời với việc chế tạo anten

- Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền

- Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng

- Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân

Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng

dụng

 Khuyết điểm:

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

- Một số MSA có độ lợi thấp

- Khả năng tích trữ công suất thấp

- Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất

- Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%, đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng

 Một số ứng dụng của MSAs:

- Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường được

dùng

- Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ

- Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

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

- GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA

2.2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method)

Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một đường

truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến patch kim

loại của anten vi dải Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số kỹ thuật cấp nguồn mới cho anten vi dải đã được nghiên cứu và phát triển Hiện nay các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng

đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-coupling), ghép gần (proximiti-coupling)

Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Tuy nhiên, yếu

tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn cong, cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đồ thị bức xạ của anten vi dải việc giảm thiểu bức xạ rò và những ảnh hưởng của nó lên

đồ thị bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay không?

a Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Việc cấp nguồn cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp

nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền vi

dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này

có vài hạn chế Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch ( ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với

khoảng vài mm)

Patch

GND Feed

Hình 2-9 : Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải

b Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền tải công suất cao tần Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối với patch,

phần ngoài nối với ground plane Ưu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp

Hình 2-10 : Cấp nguồn dùng cáp đồng trục

Tuy nhiên cách này có nhược điểm là:

- Thứ nhất, vì dùng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten

không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng

- Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu

nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi

- Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của probe Kết quả là bức xạ rò và điện cảm của probe

tăng lên

c Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled

Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạ

không cần thiết của đường microstrip line Cấu trúc bao gồm 2 lớp điện môi Patch antenna được đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đường truyền feed line ở lớp điện môi dưới Thông thường thì miếng điện môi ở trên có hằng số điện

môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắm mục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten Tuy nhiên, phương thức cấp nguồn này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten Phương pháp cấp nguồn này thì

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 2-11 : Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled

d Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled

Cấu trúc này gồm 2 lớp điện môi, miếng patch antenna nằm ở miếng điện môi trên, đường feed line ở giữa 2 lớp điện môi Phương thức này có ưu điểm cao đó loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feed line) và cho băng thông rộng

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 2-12 : Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled

Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ Phương pháp này về bản chất là ghép điện dung giữa patch và đường cấp nguồn Thông số của hai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ rò ở đầu cuối hở của đường truyền Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi thứ hai cũng mỏng hơn Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn Tuy nhiên phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất

2.2.4 Băng thông của MSA

Như ta đã biết, hạn chế lớn nhất của MSA là độ rộng của băng thông Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở

kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ Đối với các anten phân cực tròn,

BW được tính theo tỷ số trục (AR)

BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng của anten nằm trong một giới hạn cho trước BW của MSA tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm

chất Q:

1

VSWR BW

Với tiêu chuẩn VSWR< 2, ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của BW(tính theo

%) theo h/λ o với các thông số ε r khác nhau (ε r =2,2 và ε r=10)

2.2.5 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải

Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự như là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ số điện môi tương đối thấp Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện mặt

trên bề mặt của patch

Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần (microwave source) Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất

Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình thành do các lực tương tác giữa các điện tử

cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độ dòng mặt dưới J bvà vectơ mật độ dòng mặt trên J t

Do trong hầu hết các anten tỷ số h

W là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích

chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch bề mặt Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa của patch Do vậy, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có thể thành lập các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả định này càng hợp lý hơn trong trường

hợp đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi rlớn Tương tự như trường

hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không đổi và trường

điện gần như vuông góc với bề mặt của patch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity)

với các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với

bề mặt của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp

tuyến gần như bằng không) Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ

có các mode TM là có thể truyền trong hốc cộng hưởng

Bốn bức tường bên của hốc cộng hưởng tương ứng cho bốn khe bức xạ Patch

của anten vi dải có thể tượng trưng bằng một vectơ mật độ dòng J t tương ứng Trong khi đó, bốn khe bức xạ ở các mặt bên được đặc trưng bằng các vectơ mật độ dòng J svà M s lần lượt tương ứng với trường từ H a và trường điện E atrong các khe bức xạ

a s

Do vậy, chỉ còn lại một thành phần mật độ dòng khác không là vectơ mật độ dòng

s

M dọc theo chu vi patch Để biểu diễn sự hiện diện của mặt phẳng đất ta sử dụng

lý thuyết ảnh rằng mật độ dòng sẽ tăng gấp đôi so với khi chưa xét mặt phẳng đất Mật độ dòng mới sẽ là:

s

Trường điện trong khe bức xạ xác định:

- E a z E 0 đối với hai khe có chiều dài W và độ cao h

  đối với khe có chiều dài L và độ cao h

Do các điều kiện xét trên, ta nhận ra là kết quả bức xạ của khe dọc theo chiều

của trục x thì hầu như bằng không vì phân bố dòng bằng và đảo dấu với nhau trong các khe Tuy nhiên, kết quả bức xạ dọc theo chiều của trục y tồn tại dưới dạng một

dải hai thành phần với các thành phần mật độ dòng cùng biên độ và pha và cách

nhau một khoảng L – chiều dài của patch Do đó, bức xạ từ patch có thể được miêu

tả dưới dạng hai khe dọc (vertical slots)

Việc phân tích các khe dọc này trong môi trường điện môi không đồng nhất là một vấn đề hết sức khó khăn nên các khe dọc này được thay thế bởi hai khe phẳng

(planar slots) Đối với các loại anten vi dải có cấu hình khác cũng có thể được

tượng trưng bởi các khe tương ứng cùng loại

2.2.6 Trường bức xạ của anten vi dải

Trường bức xạ từ anten vi dải do dòng từ bề mặt giống như bức tường dọc theo

chu vi patch Ở một phương pháp khác nhưng kĩ hơn, trường bức xạ được xác định

từ dòng điện bề mặt trên miếng patch dẫn điện của anten vi dải Cả hai phương

pháp này được xem là tương đương nhau Sự bức xạ của anten vi dải đôi lúc được xem như là sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch Đồ thị bức xạ của một đầu

hở của đường truyền vi dải tương tự như đồ thị bức xạ của một dipole Hertz

Phương pháp này cũng được dùng để tính toán sự ảnh hưởng của bức xạ lên hệ số

phẩm chất Q của khung cộng hưởng vi dải Lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã

cho ta thấy rằng ở tần số cao, suy hao do bức xạ cao hơn nhiều so với suy hao do điện dẫn và điện môi Ngoài ra, nó cũng cho ta thấy rằng đường truyền vi dải hở mạch bức xạ công suất mạnh hơn khi được chế tạo với lớp điện môi dày có hằng số điện môi thấp

Vectơ thế được dùng để xác định trường bức xạ do dòng điện mặt

a Thế vectơ và một số công thức tính trường bức xạ

Trước tiên, ta giả sử rằng chỉ có dòng từ tồn tại Trường điện và trường từ tại

bất kỳ điểm P(r,θ,Ф) bên ngoài anten được biểu diễn như sau:

1 ( )

Với ε là hằng số điện môi và μ là độ thẩm từ tuyệt đối của vật liệu, chữ “m” ngụ

ý rằng trường do dòng từ gây ra và ω là tần số góc Thế vectơ F được định nghĩa như sau:

Trong đó, k 0 là hằng số sóng trong không gian tự do và M r( ')là mật độ dòng từ

bề mặt tại điểm cách gốc tọa độ một khoảng cách r’

Tương tự, bằng cách sử dụng thế vactơ từ, A, trường do dòng điện gây ra có thể được biểu diễn:

Đối với trường vùng xa, thành phần trường quan rọng là các thành phần vuông

góc với hướng truyền sóng, tức là, thành phần theo θ và Ф Chỉ xét riêng dòng từ, ta

E   j A   và E   j A   (2-18)

Và trong không gian tự do:

0

r E H

Công suất bức xạ của anten có thể được tính bằng cách lấy tích phân của vectơ

Poynting trên khe bức xạ:

Đối với anten vi dải, trường điện bên trong miếng patch thì vuông góc với

miếng dẫn và mặt phẳng đất và trường từ thì song song với cạnh của anten Ngoài

ra, ta có thể tính toán công suất bức xạ từ đồ thị bức xạ theo phương trình sau:

0

1(| | | | ) sin2

r



c Công suất tiêu tán

Công suất tiêu tán trong anten vi dải bao gồm suy hao điện dẫn Pc và suy hao điện môi Pd:

2

s c

d Năng lượng tích lũy

Năng lượng tích lũy trong anten vi dải là tổng năng lượng của hai thành phần điện và từ:

Trong đó, μ là độ từ thẩm Tại tần số cộng hưởng năng lượng điện và từ bằng

nhau Khi đó năng lượng tích lũy:

Hầu hết tất cả các anten vi dải phải được phối hợp trở kháng chuẩn của nguồn

và tải nên việc tính toán trở kháng vào của anten là rất quan trọng Anten vi dải có thể được cấp nguồn từ cáp đồng trục, đường truyền vi dải hoặc ống dẫn sóng Đối với anten vi dải được cấp nguồn bằng cáp đồng trục, công suất vào được tính như sau:

*

c in

h c

h in

V Z I

2.2.7 Sự phân cực sóng

Phân cực của anten theo hướng đã cho được xác định như phân cực sóng bức xạ bởi anten Chú ý khi hướng không được nói rõ thì phân cực được xem xét là phân cực theo hướng có độ lợi cực đại Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vectơ trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng Phân cực có thể được phân loại như phân cực tuyến tính, tròn, elip Nếu vectơ

mô tả trường điện tại một điểm trong không gian là hàm của thời gian luôn luôn có hướng dọc theo một đường thì trường được gọi là phân cực tuyến tính Tuy nhiên, nến hình dạng mà trường điện vạch ra là một elip thì trường được gọi là phân cực elip Phân cực tuyến tính và phân cực tròn là trường hợp đặc biệt của phân cực elip

vì chúng có thể đạt được khi elipe trở nên một đường thẳng hay đường tròn tương ứng

 Vectơ phân cực:

Vectơ phân cực P(θ,Ф) được cho bởi:

( , ) ( , )( , )

2.3 CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích anten vi dải Mỗi phương pháp đưa ra một mô hình gần đúng cho anten để phân tích Mô hình phổ biến nhất là mô

hình đường truyền (microstrip line), mô hình hốc cộng hưởng (cavity model)

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

- Giúp ta giảm bớt một lượng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ bằng

cách tác động vào quá trình thiết kế

- Giúp ta đánh giá một cách chính xác các ưu khuyết điểm của anten bằng