Bài báo trình bày tính thiết yếu của việc sử dụng bộ biến đổi khi thực hiện đo các tham số của anten có kích thước siêu nhỏ. Từ đó, đề xuất cấu trúc của bộ biến đổi spertopf balun để đo các tham số kỹ thuật của anten xoắn siêu nhỏ. Tính toán ảnh hưởng của các tham số kích thước của bộ biển đổi Spertopf Balun đến các tham số kỹ thuật của anten xoắn siêu nhỏ để từ đó đưa ra được giới hạn sử dụng hiệu quả của bộ biến đổi Spertopf Balun.
Ra đa GIẢI PHÁP ĐO ANTEN XOẮN SIÊU NHỎ SỬ DỤNG SPERTOPF BALUN Nguyễn Quốc Định* Tóm tắt: Bài báo trình bày tính thiết yếu việc sử dụng biến đổi thực đo tham số anten có kích thước siêu nhỏ Từ đó, đề xuất cấu trúc biến đổi spertopf balun để đo tham số kỹ thuật anten xoắn siêu nhỏ Tính tốn ảnh hưởng tham số kích thước biển đổi Spertopf Balun đến tham số kỹ thuật anten xoắn siêu nhỏ để từ đưa giới hạn sử dụng hiệu biến đổi Spertopf Balun Từ khóa: Anten xoắn siêu nhỏ, Bộ chuyển đổi hình cốc (spertopf balun), Kỹ thuật đo anten ĐẶT VẤN ĐỀ Anten có kích thước siêu nhỏ định nghĩa anten có kích thước cỡ 0,01 bước sóng, loại anten thường sử dụng thiết bị đòi hỏi cấu trúc anten có kích thước nhỏ hệ thống kiểm tra lốp ô tô (TPMS: Tire pressure monitoring system) [1], thẻ nhận dạng sóng vơ tuyến (RFID: Radio Frequency Identification) [2] thiết bị thông tin di động, thiết bị thông tin vô tuyến sử dụng y học Anten có kích thước siêu nhỏ đặc trưng, tham số anten trở kháng vào nhỏ (khoảng ), hệ số tăng ích thấp (khoảng -5 dBi) nên việc sử dụng hiệu loại anten gặp nhiều khó khăn Để khảo sát, đánh giá chất lượng mẫu anten có kích thước siêu nhỏ vấn đề đặt nhà nghiên cứu khoa học sai lệch nhỏ làm thay đổi đặc tính loại anten Trong báo này, tác giả đề xuất giải pháp kỹ thuật đo, kiểm tra tham số kỹ thuật anten xoắn có kích thước siêu nhỏ (dưới 0,01 bước sóng) sử dụng biến đổi spertopf balun, tính tốn ảnh hưởng tham số kích thước biển đổi spertopf balun đến tham số kỹ thuật anten để từ đưa giới hạn sử dụng hiệu biến đổi spertopf balun đề xuất CẤU TRÚC CỦA SPERTOPF BALUN VÀ KẾT QUẢ ĐO KIỂM 2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động Spertopf Balun Anten chấn tử đối xứng có phân bố dòng đối xứng, nối với cáp đồng trục có dòng khơng đối xứng gây méo dạng đồ thị xạ anten Do vậy, phải sử dụng biến đổi để tạo dòng điện đối xứng Cấu trúc spertopf balun [3] thể Hình 1a với mạch tương đương thể Hình 1b Vỏ ngồi cáp đồng trục C gắn thêm ống kim loại D có chiều dài λ/4 Một đầu để tự do, đầu nối tắt với cáp đồng trục C, nhằm mục đích loại bỏ dòng điện bất đối xứng chảy vỏ cáp đồng trục C Nghĩa là, từ vị trí nối anten cách λ/4, vỏ ngồi cáp đồng trục C nối với ống kim loại D, đầu lại ống kim loại để tự nên tạo với vị trí nối anten cáp đồng trục mạch hở Do vậy, làm cho dòng điện bất đối xứng khơng chảy vỏ ngồi cáp đồng trục C Từ hình 1b, cáp đồng trục tách thành thành phần Mặt B mặt ngồi C Mặt B có dòng điện đối xứng chảy qua, mặt ngồi C có dòng điện bất đối xứng chảy qua Tâm cáp đồng trục A mặt cáp B trở thành mạch chính, vị trí kết nối với anten coi mắc thêm đoạn stub λ/4, stub có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện bất đối xứng 56 Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Ib Ib A Ib B Ib open Ib Iu=0 ZV λ/4 D Ib C Iu short short C B open D Iu A Iu=0 λ/4 (a) Cấu trúc spertopf balun (b) Mạch tương đương Hình Cấu trúc mạch tương đương Spertopf Balun 2.2 Kết thực nghiệm Hình mơ tả cấu trúc chế thử anten xoắn có kích thước siêu nhỏ Hình 2a cấu trúc anten xoắn không sử dụng tap (dây chuyển đổi) kết nối trực tiếp với spertopf balun Hình 2b cấu trúc anten xoắn sử dụng tap kết nối trực tiếp với spertopf balun [4] Đo kiểm tần số 315 MHz (tương đương = 952,4 mm) Như vậy, với chiều dài anten 5,0 mm tương đương với 0,005, kích thước nhỏ Kết đo trở kháng vào anten so sánh với kết mô (sử dụng phần mềm mô FEKO, phương pháp MoM) thể hình Từ hình thấy rằng, kết đo kiểm tương đồng với kết mơ nên khẳng định tính xác kết đo kiểm Từ hình thấy rằng, với cấu trúc anten, sử dụng tap trở kháng vào anten tăng lên Như vậy, với việc sử dụng Spertopf Balun đo tham số trở kháng vào anten xoắn có kích thước siêu nhỏ với kết giống với kết mô 13.5 mm 5.0 mm (a) Đo anten xoắn siêu nhỏ khơng có tap 5.0 mm 27.0 mm Balun 13.5 mm 10.8 mm (b) Đo anten xoắn siêu nhỏ có tap Hình Cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ tiến hành đo đạc Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 57 Ra đa 50j 25j No tap 100j With tap 10j Meas Sim 10 25 50 100 250j 250 -10j -250j -25j -100j -50j Hình Kết đo kiểm trở kháng vào anten so sánh với kết mô SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN BẰNG CÁP ĐỒNG TRỤC VÀ SPERTOPF BALUN KHI ĐO ANTEN XOẮN SIÊU NHỎ 3.1 Cấu trúc anten kết nối với cáp đồng trục Spertopf Balun Cấu trúc anten xoắn kết nối với spertopf balun thể Hình (a) Khi đó, anten xoắn có kích thước siêu nhỏ phân tích thành hai thành phần nguồn điện I (Dipole antenna) nguồn từ J (Loop antenna) [5] Với cấu trúc này, đặt anten xoắn mặt phản xạ Hình (b) thành phần nguồn điện I song song sát mặt phản xạ nên bị triệt tiêu nên tồn nguồn từ J Với đặc điểm sử dụng để khảo sát đặc tính xạ anten phần sau Electric source I J Magnetic source J Magnetic source (a) anten xoắn đặt không gian tự (b) anten xoắn đặt gần mặt phản xạ Hình Hiệu ứng đặt anten xoắn gần mặt phản xạ Mơ hình anten xoắn có kích thước siêu nhỏ cấp nguồn bất đối xứng cáp đồng trục Hình 5a cấp nguồn đối xứng spertopf balun thể Hình 5b Spertopf balun có đường kính Ds, chiều dài Ls (thông thường /4), đầu tự cách anten khoảng s Với điều kiện tần số khảo sát 315 MHz (tương đương = 952,4 mm), anten có chiều dài anten 5,0 mm (0,005) phần trên, ta tiến hành mô với trường hợp cấp nguồn cho anten cáp đồng trục cho kết phân bố dòng hình 6a, cấp nguồn spertopf balun cho kết phân bố dòng hình 6b Có thể thấy rằng, cấp nguồn cáp đồng trục tạo dòng điện bất đối xứng đầu cáp kết nối với anten, cấp nguồn spertopf balun tạo dòng điện đối xứng đầu cáp kết nối với anten Như vậy, sử dụng spertopf balun phù hợp với việc cấp nguồn đối xứng cho anten đối xứng 58 Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” Nghiên cứu khoa học công nghệ z z Spertopf Balun Coaxial Cable Ds y y s x x Ls = λ/4 (a) Cấp nguồn cáp đồng trục (b) Cấp nguồn Spertopf Balun Hình Phương pháp cấp nguồn cấu trúc Spertopf Balun 1.65 A 1.74 A Unbalanced current Balanced current 1.55 A 1.74 A ～ ～ Coaxial Cable Spertopf balun (a) Cấp nguồn cáp đồng trục (b) Cấp nguồn Spertopf Balun Ls = 238 mm Without Spertopf Balun y With Spertopf Balun (c) Phân bố dòng toàn cáp đồng trục Spertopf Balun 1.2 Balun current [] 1.0 Without Spertopf Balun 0.8 0.6 With Spertopf Balun 0.4 0.2 0.0 50 100 150 y [mm] 200 (d) Lượng hóa phân bố dòng cáp đồng trục Spertopf Balun Hình So sánh phân bố dòng cáp đồng trục Spertopf Balun Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 59 Ra đa Hình 6c so sánh phân bố dòng tồn cáp đồng trục spertopf balun, Hình 6d thể kết lượng hóa phân bố dòng cáp đồng trục Spertopf Balun theo trục y Có thể thấy rằng, sử dụng cáp đồng trục phân bố dòng vỏ cáp lớn, dòng biến cáp đồng trục thành anten có kích thước lớn, ảnh hưởng đến đặc tính xạ anten có kích thước siêu nhỏ Mặt khác, sử dụng spertopf balun phân bố dòng vỏ cáp nhỏ, phân bố khơng ảnh hưởng đến đặc tính xạ anten xoắn siêu nhỏ Hình kết mơ phỏng, so sánh trở kháng vào anten (trong trường hợp có tap) sử dụng cáp đồng trục Spertopf Balun Có thể thấy rằng, việc sử dụng hay khơng sử dụng spertopf balun không ảnh hưởng nhiều đến trở kháng vào anten trục cáp vng góc với trục anten 50j 25j 100j With Spertopf Balun 250j Without Spertopf Balun 10j 10 25 50 100 250 -10j -250j -25j 315 MHz -100j -50j Hình So sánh trở kháng vào anten cấp nguồn cáp đồng trục Spertopf Balun 120 150 180 90 With Spertopf Balun (E = -6.5dBi) [dBi] 60 -10 With Spertopf Balun (E = -34.7dBi) -20 30 -30 Without Spertopf Balun (E = -9.2dBi) -40 -50 -60 Hình So sánh đồ thị xạ anten cấp nguồn cáp đồng trục Spertopf Balun Hình mô tả đồ thị xạ anten trường hợp sử dụng cáp đồng trục trường hợp sử dụng spertopf balun (anten xoắn khơng có tap) Trong trường hợp sử dụng cáp đồng trục kết tính toán đồ thị xạ thể xạ cực đại vng góc với trục cáp, xạ anten chấn tử đơn cực đặt vng góc mặt phản xạ Như vậy, khơng sử dụng Spertopf Balun đặc trưng xạ anten khơng (vì anten có kích thước siêu nhỏ) mà đặc trưng xạ cáp đồng trục Ngược lại, sử 60 Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ dụng Spertopf Balun đồ thị xạ nguồn từ J có cường độ lớn (E = -6,5 dBi), đồ thị xạ nguồn điện có cường độ cực đại nhỏ, gần bị triệt tiêu (E = 34,7 dBi) Điều với lý thuyết nêu Mặt khác, hình dạng đồ thị xạ anten xoắn siêu nhỏ giống với hình dạng lưỡng cực điện đối xứng, điều với lý thuyết anten xoắn có kích thước siêu nhỏ 3.2 Phạm vi hoạt động spertopf balun Hình 9a trường hợp thay đổi đường kính spertopf balun Có thể thấy rằng, đường kính spertopf balun không ảnh hưởng đến giá trị hệ số tăng ích cực đại anten Hình 9b trường hợp thay đổi khoảng cách s từ đầu mút spertopf balun đến anten Từ Hình 9b thấy rằng, không nên để đầu mút spertopf balun gần anten, nên để khoảng cách mm Hình 9c trường hợp thay đổi chiều dài spertopf balun Ls, thấy rằng, chiều dài Ls phần tư bước sóng hệ số tăng ích nguồn điện đạt giá trị nhỏ nhất, tức ảnh hưởng mặt phản xạ làm nguồn điện bị triệt tiêu -5 -5 E Gap feed Balun feed Ls = 238 mm s = mm -15 -20 -25 -30 Ds E -15 -20 -25 s -30 E -35 -35 -40 E Gap feed Balun feed Ls = 238 mm Ds = mm -10 and E [dBi] and E [dBi] -10 -40 10 15 Ds [mm] 20 (a) DS thay đổi s [mm] (b) s thay đổi (c) LS thay đổi Hình Ảnh hưởng tham số kích thước đến hệ số tăng ích anten Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 61 Ra đa Để nguồn điện gần bị triệt tiêu đặt mặt phản xạ (E < -25 dBi) chiều dài spertopf balun đảm bảo chiều dài khoảng từ 235,1 mm đến 242,1 mm Như vậy, phạm vi hoạt động spertopf balun khoảng % Có thể thấy rằng, sử dụng spertopf balun để đo tham số kỹ thuật anten xoắn có kích thước siêu nhỏ sử dụng khoảng dải thông hẹp KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải pháp đo anten xoắn có kích thước siêu nhỏ sử dụng spertopf balun đạt số kết sau: (i) Kiểm nghiệm kết đo trở kháng vào anten xoắn siêu nhỏ sử dụng spertopf balun với kết mô phỏng, hai kết đồng nhất; (ii) Đề xuất phương pháp so sánh kết đo tham số kỹ thuật anten sử dụng cáp đồng trục spertopf balun Kết trở kháng vào không thay đổi nhiều đo đồ thị xạ anten cần thiết phải sử dụng spertopf balun; (iii) Tính tốn ảnh hưởng tham số kích thước biển đổi spertopf balun đến tham số kỹ thuật anten để từ đưa giới hạn sử dụng hiệu biến đổi spertopf balun đề xuất % Với kết đề xuất báo, sử dụng để đo anten khác có kích thước siêu nhỏ cho thiết bị thơng tin vô tuyến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Q Dinh; T Teranishi; N Michishita; Y Yamada; K Nakatani, “FEKO-Based Method for Electromagnetic Simulation of Carcass Wires Embedded in Vehicle Tires,” The Applied Computational Electromagnetics Society Journal, vol 26, no 3, pp 217-224, March 2011 [2] N Q Định, “Nghiên cứu cải tiến cấu trúc anten cho hệ thống RFID,” Tạp chí nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn sự, Số 26 (2013), tr 8-13 [3] Constantine A Balanis, “Antenna theory: Analysis and design,” John Wiley&Sons, INC., Publication, 3rd edition, pp 538-541 [4] N Q Dinh, N Michishita, Y Yamada and K Nakatani, “Design Method of a Tap Feed for a Very Small Normal Mode Helical Antenna,” IEICE Trans on Commun., vol J94-B, no 2, pp 164-175, Feb 2011 [5] J.D.Kraus, “Antennas, Second Edition,” pp 333-338, McGraw-Hill Book Company, 1988 ABSTRACT THE MEASUREMENT SOLUTION TO VERY SMALL NORMAL MODE HELICAL ANTENNA USING A SPERTOPF BALUN CONVERTER This paper presents the necessaries of using converters to measure parameters of very small size antennas From this, the structure of a spertopf balun converter is proposed to measure parameters of very small normal mode helical antennas The effects of dimensional factors to parameters of antennas are examined and effective limitations of the proposed spertopf balun converter are shown in this paper Keywords: Very small normal mode helical antenna, Spertopf balun, Antenna measurement techniques Nhận ngày 26 tháng năm 2015 Hoàn thiện ngày 09 tháng 10 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015 Địa chỉ: * 62 Học viện Kỹ thuật quân sự; Email: dinhnq@mta.edu.vn Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” ... động spertopf balun khoảng % Có thể thấy rằng, sử dụng spertopf balun để đo tham số kỹ thuật anten xoắn có kích thước siêu nhỏ sử dụng khoảng dải thông hẹp KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải pháp đo anten. .. mô 13.5 mm 5.0 mm (a) Đo anten xoắn siêu nhỏ khơng có tap 5.0 mm 27.0 mm Balun 13.5 mm 10.8 mm (b) Đo anten xoắn siêu nhỏ có tap Hình Cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ tiến hành đo đạc Tạp chí Nghiên... đề xuất giải pháp đo anten xoắn có kích thước siêu nhỏ sử dụng spertopf balun đạt số kết sau: (i) Kiểm nghiệm kết đo trở kháng vào anten xoắn siêu nhỏ sử dụng spertopf balun với kết mô phỏng, hai