Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông

Mô phỏng và đánh giá anten vi dải với cấu trúc DGS tại tần số 2,4GHz nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của anten như cải thiện suy hao phản xạ, tăng băng thông truyền, tăng độ lợi,… Dựa trên những công thức đơn giản đã được mô tả, quá trình tính toán thiết kế cho anten vi dải hình chữ nhật được đặt ra. Giả sử ta đã có những thông số ban đầu: hằng số điện môi =2.2, tần số hoạt động f0=2.4GHz, và chiều cao của lớp điện môi nền h=1.6. Ta tiến hành tính toán kích thước của mặt patch và các thông số liên quan. Sau đó khắc các mẫu DGS vào anten vi dải để đánh giá chất lượng của anten.

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những nămgần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn Đểthỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầucuối cũng phải được thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn như anten

vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểmhấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, sẽ là lựa chọnthỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên Với sự tiến bộ trong lĩnh vực vi mạch ở siêucao tần và trong truyền thông không dây đã đòi hỏi các anten vi dải có kíchthước nhỏ gọn và hiệu suất cao Do đó, đã ra đời nhiều phương pháp cải tiếnanten vi dải, một trong các phương pháp đó là thay đổi cấu trúc mặt phẳng đất

Kỹ thuật này đơn giản là tạo ra các dị tật trên nền mặt phẳng đất

Đồ án này chúng em trình bày về sự ảnh hưởng của các dị tật lên các thông

số của anten vi dải Cùng với sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Thị Minh chúng

em đã tiến hành mô phỏng thành công đồ án “Khảo sát sự ảnh hưởng của cấu trúc DGS lên các thông số của anten vi dải” Do thời gian ngắn nên không thể

tránh được các sai sót trong quá trình thực hiện, rất mong sự đóng góp của quýthầy cô và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thuận

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung về anten

1.1.1 Giới thiệu

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (antenthu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúcchuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng, như thể hiện trong hình1.1 Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và antenthu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền nănglượng điện từ, gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra daođộng điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dướidạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự

do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc.Sóng này được truyền theo fide tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và fide làphải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất vàkhông gây ra méo dạng tín hiệu

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng [3]

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc

ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộtạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trởkháng đặc trưng Zc, và anten được thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conductionand dielectric loss)

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vàoanten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoanhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn Khi đó trênđường truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứngđiển hình được thể hiện là đường gạch đứt trong hình 1.2 Nếu hệ thống antenđược thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thànhphần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng Nếucường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đườngtruyền dẫn Tổng mất mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóngđứng Mất mát do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn cácđường truyền mất mát thấp, trong khi mất mát do anten có thể được giảm đibằng cách giảm trở kháng bức xạ RL trong hình 1.2 Sóng đứng có thể đượcgiảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóabằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đườngtruyền Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính làanten

Một phương trình tương tự như hình 1.2 được sử dụng để thể hiện hệ thốnganten trong chế độ thu, ở đó nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả các phầnkhác của phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ Rr được sửdụng để thể hiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự dotruyền tới anten

1.1.2 Các tham số cơ bản của anten

1.1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra Mộttrường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này giàng buộc với anten;còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trong trườnggần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượngđược cấp tới anten Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường khu

xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường (xem hình 1.3)

Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thànhtrường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông quakhông 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 ratrên một diện tích ngày càng lớn hơn Điều này làm cho năng lượng trên mộtdiện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng

1.1.2.2 Giản đồ bức xạ

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với mộtgiản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ nàythể hiện các đặc tính định hướng của anten

Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 1.4

Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng chỉ là một antengiả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng Mặc dù nó là lý tưởng và không thểthực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một thamchiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực Anten hướng tính là “anten

có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn cáchướng còn lại

1.1.2.3 Cường độ bức xạ

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau:

“năng lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc” Cường độ bức xạ làtham số trường xa,và được tính bằng cách đơn giản là nhân mật độ bức xạ vớibình phương của khoảng cách

U=R2WRad (2.8)

Khi đó, U: là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

Wrad: là mật độ bức xạ (W/m2) 1.1.2.4 Hệ số định hướng

Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độ

bức xạ theo một hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cảcác hướng Cường đồ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi antenchia cho 4π Nếu hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cựcđại được chọn” Đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướngtính bằng với tỉ lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường

độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (U0):

D0: là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên) U: là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

Umax: là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc) U0: là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

Prad: là tổng công suất bức xạ (W) 1.1.2.5 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ sốtăng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tínhtoán hiệu suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ sốđịnh hướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạcủa anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn(thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giảthiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệusuất bằng 1 (không tổn hao)

Pin: là tổng công suất đưa vào anten

U θ: là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần truờng Eθ

U φ: là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường E φ

Công thức tương ứng được cho bởi:

G0 (dB) = 10log10 [e cd D0 ] 1.1.2.6 Băng thông

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà

trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định” Băng thông cóthể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường làtần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản

đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệusuất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần sốtrên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được

Ví dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới

Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “trở kháng của anten tại điểm đầuvào của nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thànhphần tương ứng của điện trường so với từ trường ở một điểm” Trong phần này,chúng ta quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào tại đầu vào của anten Tỉ số điện áptrên dòng điện ở đầu vào này, không có tải, xác định trở kháng của anten nhưsau:

Z A = R A + jX A

Trong đó: Z A : là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

R A : là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)

X A : là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Trong đó điện trở anten có: RA= Rr+ RL

Trong đó: R r : là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten

R L : trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số Do đó, antenchỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó.Thêm nữa, trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng củaanten, phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng baoquanh nó Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tếđược nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ

Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm

1.2 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 mộtkhoảng rất nhỏ ( h << λ0, thường thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0) Patch của anten vidải được thiết kế để có đồ thị bức xạ cực đại Điều này được thực hiện bằngcách 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 hoạtđộng Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trongkhoảng λ0/3 < L< λ0/2 Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện

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 điệnmôi 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 haovào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Nền mỏng vớihằng 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 hợpkhông 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 thôngnhỏ hơn

1.2.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thốngkhác Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông(square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hìnhquạt (sectoral), hình vành khuyên (annularring)

Hình 1.6: Các dạng anten vi dải thông dụng.

Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole

vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải

 Anten patch vi dải

Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình họcphẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đấtnằm trên mặt phẳng còn lại của đế Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhaunhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giốngnhư 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

 Dipole vi dải

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉkhác nhau tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước

sóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vidải giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông

và bức xạ phân cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau Antendipole vi dải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụngmiếng đế điện môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thôngđáng kể Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khiphân tích anten dipole vi dải

 Printed Slot Antenna

Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất củamột đế được nối đất (groundsubstrate) Khe này có thể có nhiều hình dạng khácnhau như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến, Anten loại này bức xạ theo haihướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạđơn 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 mộtđoạn 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 đểtránh hiện tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế đểhướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire

1.2.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thốngkhác Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ100Mhz đến 100Ghz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả chonhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểmcần 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

 Nhược 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

 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 hạnchế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng

1.2.3 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 nêncác kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng mộtđường truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đếnpatch kim loại của anten vi dải.Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiềuyếu tố khác nhau Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền nănglượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở khánggiữa hai phần với nhau Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốncong, cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt

Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng mộtlớp nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đườngtruyền 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 feedline khi kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch

Patch

GND Feed

Hình 1.7: Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải.

Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất đểtruyền tải công suất cao tần Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nốivới patch, phần ngoài nối với groundplane Ưu điểm của cách này là đơn giảntrong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễdàng cho phối hợp trở kháng Tuy nhiên cách này có nhược điểm là: Thứ nhất,

vì dùng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toànphẳng và mất đi tính đối xứng Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồng trục cho mộtdãy 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 phảităng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của probe Kết quả là bức xạ rò và điệncảm của probe tăng lên

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1.9: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled

Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạkhông cần thiết của đường microstripline Cấu trúc bao gồm 2 lớp điện môi.Patchantenna được đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đườngtruyền feedline ở lớp điện môi dưới Thông thường thì miếng điện môi ở trên cóhằng số điện môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắmmục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten Tuy nhiên, phương thức cấp nguồnnày khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten Phươngpháp cấp nguồn này thì cho băng hẹp (narrowbandwith)

Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled

Cấu trúc này gồm 2 lớp điện môi, miếng patchantenna nằm ở miếng điệnmôi trên, đường feedline ở giữa 2 lớp điện môi Phương thức này có ưu điểmcao đó loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feedline) và cho băngthông rộng (khoảng 13%)

є r2

є r1 Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1.10: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled

Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ Phươngpháp 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 môithứ hai cũng mỏng hơn Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn Tuy nhiênphương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất

1.2.4 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải

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

Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần(microwavesource) Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sựphân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt củamặt phẳng đất Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình thành do các lực tương tácgiữa các điện tử cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở cácvùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch Sựdịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độdòng mặt dưới J b

Do trong hầu hết các anten tỷ số h W là rất bé vì thế lực hút giữa các điệntích chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dướipatch bề mặt Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìacủa patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếptuyến 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 lậpcác bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả định này càng hợp lýhơn 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 rấtmỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọctheo độ cao là không đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt củapatch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xemnhư là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity) với các bức xạ trường điện bêntrên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với bề mặt của patch) và bốn bứctường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp tuyến gần như bằngkhông) Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ có các mode TM

là có thể truyền trong hốc cộng hưởng

1.3 Phương pháp tạo dị tật trên mặt phẳng đất –Defected Ground Structure (DGS) và ứng dụng của nó trong anten vi dải

1.3.1 Phương pháp tạo dị tật trên mặt phẳng đất –Defected Ground Structure

Như chúng ta biết, dải tần của anten vi dải vốn thường là dải tần hẹp và cóthể mở rộng tùy theo các yêu cầu ứng dụng thực tế Anten vi dải có nhiều ưuđiểm và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin liên lạc, vì vậy việc cảitiến chất lượng anten như mở rộng băng thông, giảm thiểu kích thước, tăng độlợi, giảm suy hao do phản xạ,… luôn luôn được đặt lên hàng đầu Trong nhữngnăm trở lại đây, đã có một vài phương pháp mới để cải tiến các mạch vi dải Mộttrong số đó là kỹ thuật Defected Ground Structure (DGS), DGS là một kỹ thuậtdùng để sửa đổi lại mặt phẳng đất trong anten để nâng cao hiệu suất hoạt độngcủa anten Kỹ thuật này được hiểu đơn giản là đặt một “dị tật” lên trên mặtphẳng đất của anten vi dải, nó đã mở ra cánh cửa cho những ứng dụng hàng loạtsau này Rất nhiều nghiên cứu về DGSs đã được đề xuất và DGSs trở thành mộtmảng thú vị cho việc nghiên cứu ứng dụng nó trong các mạch vi dải

Hình 1.12 cho chúng ta thấy một số cấu trúc DGS được sử dụng phổ biến

hiện nay Các mấu DGS có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương L-C,

hệ số ghép nối, đáp ứng tần số và các thông số khác

Hình 1.12: Một số khuôn mẫu DGS

Mặc dù các “dị tật” đặt thêm sẽ làm mất đi tính thống nhất của mặt phẳngđất, tuy nhiên, chúng không làm mặt phẳng đất bị lỗi Người sử dụng phải chọncho mình một cấu trúc hiệu quảcho mạch vi dải của mình Một khuôn mẫu DGS

cơ bản là một rãnh cộng hưởng trên mặt phẳng đất, đặt trực tiếp dưới đườngtruyền vi dải và ghép nối một cách hiệu quả cho đường truyền vi dải Khuônmẫu DGS được kết hợp trên mặt phẳng đất sẽ làm thay đổi sự phân bố dòngtrong lớp chắn điện, sự thay đổi này phụ thuộc vào hình dạng và kích thước củaDGS Sự thay đổi này cũng ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào và dòng điện chảytrong anten Nó cũng có thể điều khiển được sự kích thích và sóng điện từtruyền qua lớp nền

Khi chúng ta sử dụng anten vi dải, sự suy hao luôn luôn xảy ra trong quátrình truyền tín hiệu Suy hao do sự kích thích sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất

sử dụng, độ lợi, băng thông vì khi có sóng bề mặt xảy ra, nó sử dụng một phầnnănglượng dự trữ để truyền sóng ra không gian.Với những anten không có cấutrúc DGS thì có băngthông hẹp, suy hao do phản xạ cao, độ lợi thấp,… mặt khácnhững anten kết hợp cấu trúc DGS hiệu quả sẽ cho băng thông cao hơn, giảmsuy hao do phản xạ

1.3.2 Ứng dụng của DGS trong thiết kế mạch vi dải

DGS được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị thụ động hoặc tích cực,đặc biệt rất hữu ích cho các thiết kế nhỏ gọn (anten vi dải là ví dụ điển hình vềđiều này) Nó được dùng cho việc lọc các tín hiệu không mong muốn, nâng caochất lượng hệ thống (ví dụ trong anten vi dải nó có tác dụng cải thiện suy haophản xạ tại tần số cộng hưởng, tăng băng thông đường truyền…) Mỗi DGS có

nó Nó dễ dàng thực hiện bằng cách đặt một mẫu “dị tật” DGS trên mặt phẳngđất để làm tăng hiệu quả hoạt động của mạch được thiết kế mà không làm mạchphức tạp thêm.

Khi chúng ta sử dụng anten vi dải để truyền tín hiệu, sóng cần truyền đi dichuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống phía dưới Sau đó nótiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại vàphần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do Năng lượng phản xạ trở lại càng lớn,tức là suy hao do phản xạ càng cao, dẫn đến hiệu suất anten thấp Với một sốanten vi dải không kết hợp DGS sẽ có băng thông thấp, suy hao do phản xạ cao

và ngược lại anten vi dải có kết hợp DGS sẽ cho băng thông rộng hơn và suyhao do phản xạ thấp hơn

Một khuôn mẫu DGS tích hợp trên mặt phẳng đất sẽ gây ảnh hưởng có lợiđến hiệu suất hoạt động của anten như giảm kích thước của anten, giảm sự phâncực chéo, giảm suy hao khớp nối trong mảng anten, giúp cho việc ngăn chặn cáctín hiệu không mong muốn (như một filter), cải thiện suy hao phản xạ, tăng băngthông truyền dẫn,…