tong quan ve anten vi dai

anten vi dai

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ những năm 1970, mặc dù những thiết kế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ những năm 1950. Ngày nay, anten vi dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây là loại anten có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc đơn giản, rẻ tiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in. Ngoài ra, anten loại này còn có sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản, các đường cấp nguồn và các mạch phối hợp trở kháng có thể thực hiện đồng thời cùng với việc chế tạo anten. Tuy nhiên, anten dạng này cũng có một số nhược điểm như: hiệu xuất thấp (do suy hao của điện môi và điện dẫn), khả năng tích trữ công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải…), băng thông hẹp (khoảng một vài phần trăm), hầu hết đều bức xạ trong nữa không gian phía trên mặt phẳng đất, một số loại có độ lợi thấp… Anten vi dải được ứng dụng trong dải tần GHz (f > 0.5 GHz). Đối với những tần số thấp hơn thì kích thước của anten trở nên quá lớn. 1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ và được chế tạo trên một bản mạch in. Thực chất anten vi dải là một dạng anten có kết cấu bức xạ kiểu khe. Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch) được đặt trên một lớp điện môi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiếp điện. Cấu 2 trúc điển hình của một phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật được cho trong hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, bề dày của bản kim loại t, độ dẫn điện của bản kim loại σ , chiều dày lớp điện môi h, hằng số điện môi ε , suy hao tiếp tuyến (loss tangent) của lớp điện môi tan( δ ). Bản kim loại rất mỏng, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng truyền trong không gian tự do (t << 0 λ ). Tuy nhiên, độ dày này phải ít nhất lớn hơn một vài lần so với độ sâu của lớp mặt ngoài vì nếu độ dày của bản kim loại nhỏ hơn độ sâu của lớp mặt ngoài thì những tổn thất thuần trở sẽ làm giảm hiệu suất bức xạ của anten. Chiều dài L của bản kim loại thường trong khoảng ( 0 λ /3 < L < 0 λ /2). Chiều dày lớp điện môi h và hằng số điện môi ε đóng vai trò quan trọng trong các thông số bức xạ của anten. Độ dày h của lớp điện môi thường trong khoảng (0.002 0 λ < h < 0.1 0 λ ), hằng số điện môi ε thường trong khoảng (2.2 < ε < 12). Lớp điện môi dày với hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn. Những vật liệu có hằng số điện môi nhỏ hơn 2.2 và lớn hơn 12 thường không phổ biến trong những thiết kế thương mại. 3 Ngoài ra anten vi dải còn có các hình dạng khác như: hình vuông, hình tròn, hình tam giác, hình vành khăn, hình ellip …được mô tả trong hình 1.2 Hình 1.2 Một số dạng anten vi dải thông dụng 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI DẢI Có nhiều phương pháp cấp nguồn (tiếp điện) hay truyền năng lượng điện từ cho anten vi dải. Bốn phương pháp phổ biến nhất là: cấp nguồn bằng đường truyền vi dải, cấp nguồn bằng probe đồng trục, cấp nguồn bằng phương pháp ghép gần, cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe. 1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TRỤC Probe đồng trục là một kỹ thuật rất phổ biến thường được dùng để cấp nguồn cho anten vi dải. Một dây dẫn điện bên trong đầu nối đồng trục được kéo dài xuyên qua lớp điện môi và được hàn với bản kim loại bức xạ phía trên, còn phần bên ngoài đầu nối được nối với mặt phẳng đất như trong hình 1.3. Thuận lợi chính của kỹ thuật tiếp điện này là đường tiếp điện có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào bên trong bản kim loại nhằm mục đích phối hợp trở kháng với tổng trở ngõ vào của nó. Phương pháp tiếp điện này rất dể sản xuất và ít gây bức xạ không mong muốn. Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của kỹ thuật này là cho băng thông hẹp, khó khoan một lỗ nhỏ trong lớp điện môi, hàn dây dẫn bên trong đầu nối đồng trục vào bản kim loại và để đầu nối vừa nhô ra phia bên ngoài mặt phẳng đất. Đối 4 với những lớp điện môi dày (h > 0.02 0 λ ) kỹ thuật này lại càng khó thực hiện bởi vì chiều dài của dây dẫn bên trong đầu nối dài hơn làm thay đổi tổng trở ngõ vào ảnh hưởng đến vấn đề phối hợp trở kháng. Hình 1.3 Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương 1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI Trong kỹ thuật tiếp điện này, một đường dẫn điện vi dải được nối trực tiếp với cạnh của anten vi dải như trong hình 1.4. Chiều rộng của đường truyền này phải nhỏ hơn chiều rộng của anten vi dải. 5 Hình 1.4 Anten vi dải với đường tiếp điện vi dải và mạch tương đương Phương pháp này tiện lợi khi đường truyền vi dải có thể được thực hiện trên cùng một lớp điện môi. Để phối hợp trở kháng có thể sử dụng kỹ thuật đường truyền một phần tư bước sóng ( 4/ λ - quarterwave line), đặt lệch vị trí của đường cấp tín hiệu so với điểm trung tâm (offset feed line) hay cắt sâu vào chiều rộng của bản kim loại một đoạn (inset feed line) như hình 1.5. Các kỹ thuật này rất dễ chế tạo và sản xuất cũng như dễ dàng trong việc phối hợp trở kháng. Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm gia tăng sóng bề mặt, những bức xạ không mong muốn và ảnh hưởng đến băng thông. Ngoài ra chúng ta có thể cấp nguồn cho anten vi dải bằng các kỹ thuật không tiếp xúc để hạn chế những vấn đề này. a. Quarterwave feed line b. Inset feed line c. Offset feed line Hình 1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải 6 1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP KHE Trong kỹ thuật này, bản kim loại bức xạ và đường tiếp điện vi dải được đặt tách biệt nhau bởi một mặt phẳng đất như hình 1.6. Việc ghép bản kim loại và đường cấp tín hiệu được thực hiện thông qua một khe trong mặt phẳng đất. Khe ghép luôn đặt ở giữa và dưới bản kim loại nhằm giảm bớt phân cực chéo do cấu trúc đối xứng. Khoảng ghép giữa đường tiếp điện và bản kim loại được xác định bằng kích thước và vị trí của khe. Mặt phẳng đất tách biệt so với đường truyền và bản kim loại nên bức xạ không mong muốn là cực tiểu. Thông thường, vật liệu có hằng số điện môi lớn và dày dùng cho lớp dưới còn vật liệu có hằng số điện môi nhỏ và mỏng hơn sử dụng ở lớp trên nhằm tối ưu bức xạ từ bản kim loại. Bất lợi chính của phương pháp này là khó sản xuất, chế tạo do có nhiều lớp, cũng chính vì vậy mà làm cho anten trở nên dày hơn. Loại tiếp điện này có băng thông rất rộng. Hình 1.6 Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương 7 1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP GẦN Trong kỹ thuật này, đường cấp tín hiệu được đặt giữa hai lớp điện môi và bản kim loại bức xạ được đặt ở lớp điện môi trên cùng như hình 1.7. Ưu điểm của phương pháp này là cho băng thông rộng và loại bỏ bức xạ trên đường tiếp điện. Kỹ thuật này cho phép chọn hai lớp điện môi khác nhau cho bản kim loại bức xạ và cho đường truyền tín hiệu nhằm mục đích tối ưu những hoạt động riêng rẽ của hai phần tử này. Việc phối hợp trở kháng có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh chiều rộng của đường cấp tín hiệu và tỉ số chiều dài và rộng của bản kim loại. Khó khăn chính của phương pháp này là việc chế tạo, sản xuất bởi vì nó có tới hai lớp điện môi và cũng làm cho anten dày hơn. Hình 1.7 Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương 1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI Anten vi dải được chế tạo bằng cách ăn mòn một lớp đồng trên một nền điện môi. Kích thước và hình dạng của anten phụ thuộc vào tần số cộng hưởng và các thông số bức xạ. Để nghiên cứu hoạt động của anten vi dải ta xét một anten vi dải hình chữ nhật điển hình như hình 1.8. Nó có một đường cấp nguồn được điều hợp ở 50 . Sự phối hợp trở Ω 8 kháng thu được giữa điểm đầu của anten và đường cấp nguồn bằng cách đặt đường cấp nguồn lệch khỏi điểm giữa một khoảng. Hình 1.8 Hoạt động của anten vi dải Sóng cần truyền đi di chuyển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộng xuống phía dưới. Sau đó nó tiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và phần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do. Sóng phản xạ dội lại và tiến vào anten cho đến khi nó tắt dần như hình 1.9. Một phần năng lượng cộng hưởng này quay trở lại nguồn, một phần bị triệt tiêu trong lớp điện môi và phần còn lại bức xạ ra không gian tự do. Tần số của sóng tại điểm cộng hưởng thì điện trường xung quanh các cạnh có biên độ cực đại. Do đó, điện trường bức xạ sẽ lớn nhất tại tần số cộng hưởng. 9 Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi dải 1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG Khi áp sóng có bước sóng sắp sỉ một nữa chiều dài của anten thì anten vi dải cộng hưởng ở nhiều sóng 2/ λ đó là: λ , 2/3 λ , …Những tần số cộng hưởng này tạo nên các mode của anten. Nếu điện trường áp vào chỉ có thành phần theo hướng x và từ trường chỉ có thành phần theo hướng y thì sóng sẽ lan truyền theo hướng z. Mode từ ngang (TM) tồn tại khi trường H x bằng không và mode điện ngang (TE) tồn tại khi trường E y bằng không. Do đó, anten vi dải có trường H x bằng không nên chỉ có mode TM. Điện trường ở vùng dưới bản kim loại tại tần số cộng hưởng được cho bởi [8]: )cos()cos( 0 L yn W xm EE z ππ = (1.1) Với m, n = 0, 1,2, …Là các mode của anten. Giá trị n biểu diễn sự cộng hưởng dọc theo chiều dài của anten và giá trị m biểu diễn sự cộng hưởng dọc theo chiều rộng của anten. Do đó, tần số cộng hưởng của anten được xác định như sau : 10 r mnmn c kf επ 2 = (1.2) Với: 222 )()( L n W m k mn ππ += Công thức trên tính gần đúng những tần số cộng hưởng nhưng với giả thuyết là các bức tường từ xung quanh bản kim loại là hoàn hảo và do đó không tính đến các trường biên ở các cạnh của anten. Vì thế, tác giả James [14] đã đề xuất một công thức cải tiến như sau : Δ+ = 1 1 )()( 01 LW ff rr r rr εε ε (1.3) Với : ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++ + + − +=Δ 88.1ln758.0 1)1(164.0 882.0 2 h W W h r r r r πε ε ε ε (1.4) () ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + + = h L FL rr r 2 1 2 1 εε ε (1.5) () ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + + = h W FW rr r 2 1 2 1 εε ε (1.6) ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ > ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ≤ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − 1121 1104.0121 2 1 2 2 1 h a a h h a h A a h h a F . 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI Anten vi dải (microstrip antenna) đã được chú ý nghiên cứu và. ANTEN VI DẢI Anten vi dải hay còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ và được chế tạo trên một bản mạch in. Thực chất anten vi dải