nghiên cứu và thiết kế anten vi dải

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông nghiên cứu và thiết kế anten vi dải

Đầu tiên em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tình truyền đạt kiến thức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện để em có thể thực hiện khóa luận này.

Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị TúQuỳnh,những người đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóaluận.

Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trongnhững lúc gặp khó khăn khi thực hiện khóa luận.

Em xin chân thành cảm ơn tất cả.

Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010 Sinh viên

Phạm Phú Hưng

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây,theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn Để thỏa mãn nhu cầuthu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏkích thước Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và antenmạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên cácthiết bị đầu cuối, … sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên Cũng bởi lí do này,kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhànghiên cứu anten

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn cácyêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM(Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (DigitalCommunication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal CommunicationSystem,1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System,1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan.

Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông chohệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dảitần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).Anten vi dải vốn đã cóbăng thông hẹp nên việc mở rộng băng thông thường là một yêu cầu hết sức quan trọngđối với các ứng dụng thực tế hiện nay Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băngthông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải.

Khóa luận tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhậtvới kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR nhằm làm rõ những đặc trưng cơbản như đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng … của anten vi dải.

Khóa luận gồm 3 chương :

 Chương 1 : Lý thuyết về anten và anten vi dải.

 Chương 2 : Giới thiệu phần mềm AWR.

 Chương 3 : Thiết kế,mô phỏng anten vi dải bằng AWR.

Phần đầu trong chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten cùng với các tham số cơ bảncủa nó như giản đồ bức xạ,hệ số định hướng,hệ số tăng ích…Phần tiếp theo trình bày sơlược về lý thuyết anten vi dải,ưu và nhược điểm các loại anten vi dải và các kỹ thuật tiếpđiện thường gặp cho chúng.

Chương 2 trình bày một cách tổng quát về cách tổng quan về phần mềm thiết kếAWR,sơ lược cách sử dụng phần mềm.

Chương 3 đi vào tính toán,thiết kế các tham số cần thiết cho một anten patch vi dảituyến tính ghép khe hở và tiến hành mô phỏng nó trên phần mềm AWR.Cuối chương 3 làphần kết luận và đặt ra những hướng phát triển tiếp theo nhằm giúp đề tài hoàn thiện hơn.

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ 4

Hình 1 2 Các trường bức xạ ở khu xa 5

Hình 1 3 Hệ tọa độ phân tích của anten 6

Hình 1 4 Bức xạ không hướng tính 7

Hình 1 5 Bức xạ hướng tính 7

Hình 1 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều 8

Hình 1 7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều 9

Hình 1 8 Phân cực của anten 12

Hình 1 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải 15

Hình 1 10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải 17

Hình 1 11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100 18

Hình 1 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 19

Hình 1 13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương 19

Hình 1 14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng 20

Hình 1 15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải 21

Hình 1 16 Anten vi dải lưỡng cực 22

Hình 1 17 Anten vi dải khe mạch in 22

Hình 1 18 Anten sóng chạy 23

Hình 1 19 Cấu trúc đường truyền vi dải 24

Hình 1 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 25

Hình 1 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều 31

Hình 1 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp 32

Hình 1 28 Mảng cộng hưởng 32

Hình 1 29 Mảng sóng chạy 33

Hình 1 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy 34

YHình 2 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR 36

Hình 2 2 Môi trường thiết kế AWR 37

Hình 2 3 Schematic và Netlist 39

Hình 2 4 Sơ đồ hệ thống 40

Sinh viên : Phạm Phú Hưng iv

Hình 2 12 Định nghĩa một chất điện môi 48

Hình 2 13 Thiết lập thông số cho các lớp chất nền 49

Hình 2 14 Thiết kế vật dẫn cho cấu trúc 50

Hình 3 1 Ảnh hưởng của độ dày và hằng số điện môi của chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất của anten (với VSWR<2) 50

Hình 3 2 Anten patch hình chữ nhật 52

Hình 3 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn 52

Hình 3 4 Anten vi dải ghép khe hở 57

Hình 3 5 Thiết lập dãy tần số hoạt động cho anten 66

Hình 3 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu 67

Hình 3 7 Tạo lớp cho anten 68

Hình 3 8 Tạo vật dẫn cho anten 68

Hình 3 9 Tạo mặt phẳng đất 69

Hình 3 10 Định vị trí cho mặt phẳng đất 70

Hình 3 11 Thiết kế patch 71

Hình 3 12 Xác định vị trí cho patch 71

Hình 3 13 Đường truyền vi dải 72

Hình 3 14 Định vị trí cho đường nối vi dải 72

Hình 3 15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR 73

Hình 3 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải 73

Hình 3 17 Đáp ứng tần số của thông số S11 74

Hình 3 18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều 75

Hình 3 19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống 75

Sinh viên : Phạm Phú Hưng v

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 4

1 Lý thuyết chung về anten 4

1.1 Giới thiệu anten 4

1.2 Các tham số cơ bản của anten 5

1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 5

2.2 Các loại anten vi dải thông dụng 19

2.2.1 Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) 19

2.2.2 Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dipole Antenna) 21

2.2.3 Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna) 21

2.2.4 Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna) 22

2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 23

2.3.1 Đường truyền vi dải (Microstrip Feed) 23

2.3.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed) 25

2.3.3 Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed) 26

2.3.4 Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed) 26

2.4 Mảng anten vi dải 28

2.4.1 Giới thiệu 28

2.4.2 Đường dẫn song song 29

Chương 2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM AWR 34

1 Giới thiệu phần mềm AWR 34

2 Môi trường thiết kế AWR 35

2.1 Các thành phần cơ bản của AWR 35

2.2 Các thao tác cơ bản trên AWR 37

2.2.1 Schematic và Netlist trong MWO/AO 37

2.2.2 Sơ đồ hệ thống trong VSS 38

2.2.3 Cấu trúc EM 38

2.2.4 Tạo layout với MWO và AO 40

2.2.5 Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra 43

2.2.6 Biểu diễn mô phỏng 44

Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI 50

1 Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế 50

1.1 Chất nền 50

1.2 Hình dạng patch 51

1.3 Kỹ thuật tiếp điện 52

2 Thiết kế,tính toán thông số 53

2.3.2 Sóng trong đường truyền vi dải 58

2.3.3 Độ rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải 59

2.3.4 Giá trị quasi-static của trở kháng đặc trưng 60

2.3.5 Độ phân tán trong đường truyền vi dải 60

2.3.6 Độ rộng đường truyền vi dải 62

3 Thiết kế,mô phỏng bằng AWR 65

3.1 Mô phỏng trên AWR 66

3.1.1 Thiết lập thông số cho anten 66

3.1.2 Thiết kế anten trên AWR 69

3.2 Kết quả mô phỏng 74

4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI

1 Lý thuyết chung về anten.1.1 Giới thiệu anten.

Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu)từ không gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếpmột vòng kín của tín hiệu RF (Radio Frequency : tần số vô tuyến) và sự bức xạ,lantruyền của sóng điện từ trong không gian.

Thông thường,giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thukhông nối trực tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượngđiện từ,gọi là fide (như hình 1.1).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 dưới dạngsóng điện từ ràng buộc.Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc nàythành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp

Hình 1 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ

nhận sóng điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điệntừ do an ten phát truyền đi,phần còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian)và biến chúng thảnhsóng điện từ ràng buộc rồi truyền đến máy thu Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten-fide làphải thực hiện việc truyền dẫn và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà khônggây ra méo dạng tín hiệu.

1.2 Các tham số cơ bản của anten

1.2.1 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,bắtnguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ.Trước hết,trường từ biến thiênsinh ra trường điện biến thiên,sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biếnthiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên.Quá trình này lặp đi lặp lại tạo nên sóngđiện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau là trường điện (E) vàtrường từ (H).Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền củasóng điện từ trong không gian.

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten,nó sẽ hình thành hai trường.Một trườnglà trường cảm ứng (trường khu gần),trường này bị ràng buộc với anten,có cường độ lớnvà tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten.Trường kia là trường bức xạ (trườngkhu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình 1.2).Tại khu xa,chỉ có bứcxạ được duy trì.

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

Hình 1 2 Các trường bức xạ ở khu xa.

là một trường điện từ di chuyển.Trường khu xa là một sóng phẳng;khi sóng truyềnđi,năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng dần theo khoảng cách.Điềunày làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểmkhảo sát đến nguồn ngày càng tăng.

1.2.2 Giản đồ bức xạ.

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồxác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng.Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặctính bức xạ và đặc tính định hướng của anten.

Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độkhông gian.Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượngnhư mật độ công suất bức xạ,cường độ bức xạ,hệ số định hướng…

vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều do mặtcắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten.

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Hình 1 3 Hệ tọa độ phân tích của anten.

Anten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đầu vào thànhcông suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường đượcdùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế.Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vàihướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại.

hướng tính của anten.Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trườngvà hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từtrường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao cho

Hình 1 5 Bức xạ hướng tínhHình 1 4 Bức xạ đẳng hướng.

mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x,y hoặc z)như hình 1.5.

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thểđược phân thành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minhhọa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy cócường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trêncùng một mặt phẳng (giản đồ 2D).

chứa hướng bức xạ cực đại,trong hình 1.6 thùy chính có hướng θ = 0.Trên thực tế,có thểtồn tại nhiều hơn một thùy chính.Thùy phụ là bất kỳ thùy nào ngoài thùy chính.Thôngthường,thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướngcủa thùy chính.Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 1800 so với thùy chínhvà thường định xứ ở bán cầu ngược với thùy chính.

Hình 1.6 a Các búp sóng trong Hình 1 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều

W = E × H

W = vector Poying tức thời (W/m2)

Hình 1 7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều

E = cường độ điện trường tức thời (V/m)

H = cường độ từ trường tức thời (A/m).

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thànhphần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín.

E (x,y,z)= Re [E(x,y,z)ejωtt] =12 Re [E ejωtt+E¿e−jωtt

](1.3)

] = 12 Re [H ejωtt

+H¿e−jωtt ](1.4)

Khi đó (1.1) có thể được viết lại :

Wav( x , y , z )=[W (x , y , z ;t)]av=1

2ℜ¿ (1.6)

Dựa trên (1.6),công suất phát xạ trung bình của anten có thể được định nghĩa là :

Re( * )2

1.2.4 Cường độ công suất bức xạ.

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bứcxạ từ anten trên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và đượcxác định bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách :

U =r2×Wrad (1.8) Trong đó U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).

Wrad là mật độ công suất bức xạ (W/m2).

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :

Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bứcxạ của anten theo hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (

D=UU0=

4 πU

Prad (1.10)

Uo=Prad

4 π (1.11)Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau :

Dmax=D0=UmaxU0 =

4 πUmax

Prad (1.12)Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên).

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối) U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng Prad là tổng công suất bức xạ (W).

Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức :

D=32.400θ

1θ2 (1.13) với θ1, θ2 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính

1.2.6 Hệ số tăng ích.

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G).Hệsố tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của antencũng như đặc tính hướng tính của nó.Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định đượcđặc tính hướng tính của anten.

Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướngvà khoảng cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường làanten vô hướng) theo hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.

G (θ , φdθ)=M ậ t đ ộ công su ấ t theo h ư ớ ng(θ , φdθ)

M ậ t đ ộ công su ấ t c ủ a anten chu ẩ n (1.14)

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten vàtác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máythu nhạy cảm với sự phân cực).Trong thực tế,tham số này đã đưa ra tham số hiệu suất củaanten ,η, cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành công suất bứcxạ như thế nào.

G=η× D (1.15)

1.2.7 Phân cực.

Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực của sóng được truyềnđi bởi anten.Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân cựctheo hướng có hệ số tăng ích cực đại.

Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vectortrường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng.Một phân cực của anten có thể đượcphân loại như tuyến tính,tròn hay ellip.

Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểudiễn như sau :

E (z;t) = a^xE x (z;t) + a^yE y(z;t) (1.16)

Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phần tức thời và thành phần phức :

E x (z;t) = Re [Exej (ωtt+ kz)

] = Re [Ex 0ej (ωtt+ kz+θx )

] = Ex 0cos(ωtt +kz+θx ) (1.17)

E y(z;t) = Re [Eyej (ωtt+kz )] = Re [Ey0ej (ωtt +kz+θy )] = Ey0cos(ωtt +kz+θy) (1.18)

Với Ex 0, Ey0 tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần theo trục x và trục y Hình 1 8 Phân cực của anten

Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn mộttiêu chuẩn nhất định.Băng thông có thể là khoảng tần số,về hai bên của tần số trung tâm(thường là tần số cộng hưởng),ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào,độ rộngbúp sóng,hướng búp sóng,giản đồ,phân cực,cấp thùy bên,…) đạt giá trị có thể chấp nhậnđược.

Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khácgiữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm.

BW =fmax−fmin

f0 ×100 % (1.25)Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực…củaanten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khácnhau.Tùy các ứng dụng cụ thể,yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn như thế nàocho phù hợp.

1.2.9 Trở kháng vào.

Trở kháng vào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầuvào của nó hay tỉ số điện áp trên dòng điên hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tươngứng tại cùng một điểm.Ở đây,ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đầu vào của anten.Tỉ sốđiện áp trên dòng điện ,trong trường hợp không có tải,xác định trở kháng của anten : ZA=RA+XA (1.26) Với ZA là trở kháng đầu vào của anten (Ω)

RA là điện trở của anten tại các đầu vào (Ω) XA là kháng trở đầu vào của anten (Ω)

Nói chung thành phần điện trở trên bao gồm 2 thành phần :

RA¿Rr+Rl (1.28) Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (Ω))

Rl là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (Ω))

Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần số.Do đó anten chỉ phối hợptốt với đường tiếp điện ở trong cùng một dải tần nào đó.Hơn nữa,trở kháng vào của antencòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố kháng như : hình dạng anten,kỹ thuật tiếp điện,các yếu tốxung quanh…Do sự phức tạp của nó,chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được

nghiên cứu,phân tích tỉ mỉ.Với các loại anten khác ,trở kháng vào được xác định bằngthực nghiệm.

2 Lý thuyết chung về anten vi dải.2.1 Giới thiệu.

Các khái niệm đầu tiên của anten vi dải được đưa ra bởi Deschamp (1953),Gutton vàBaissinot (1955).Tuy nhiên,mãi đến những năm 70,khi các yếu tố kỹ thuật được đáp ứngđầy đủ (chất nền tốt,các mô hình lý thuyết đầy đủ hơn,…),thì anten vi dải mới được pháttriển mạnh mẽ với các ưu điểm nổi bật như khối lượng nhẹ,thể tích nhỏ,giá thànhthấp,cấu trúc đơn giản,thích hợp với các mạch tích hợp…

nhất của một anten vi dải bao gồm một patch bức xạ nằm trên một nền điện môi (ϵr≤ 10)và một mặt phẳng đất (ground plane) nằm ở mặt còn lại của chất nền.Chất dẫnpatch,thường bằng đồng hoăc vàng,có nhiều hình dạng khác nhau nhưng các dạng thôngthường nói chung là thường được sử dụng để dễ phân tích cũng như tính toán hiệu suất.

Hằng số điện môi (ϵr) của chất nền đóng vai trong quan trong nhất đối với hoạt độngcủa anten vi dải.Nó ảnh hưởng đến đăc tính trở kháng,tần số cộng hưởng,băng thông,hiệusuất…của anten.Trong điều kiện lý tưởng,hằng số điện môi nên có giá trị thấp (ϵr≤ 2.5) đểmở rộng vùng viền (fringing field)_vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạcủa anten vi dải.Tuy nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sửdụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn (ϵr≤ 10).

2.1.1 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải.

Hình 1 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải

Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thườngkhác và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số băng rộng 100 MHz-100GHz.Một số ưuđiểm nổi bật của anten vi dải là :

 Trọng lượng nhẹ,thể tích nhỏ,cấu trúc phẳng và mỏng nên dễ chế tạo.

 Giá thành sản xuất thấp,thích hợp với sản xuất số lượng lớn.

 Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ tiếp điện thuật đơngiản.

 Dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp microwave.

 Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thờitrên cùng một cấu trúc anten.

Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các antenmicrowave thông thường :

 Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%).

 Độ lợi thấp ( 6 dB).

 Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten.

 Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian.

 Muốn các mảng anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điệnphức tạp.

 Xuất hiện bức xạ nhiễu từ đường tiếp điện và mối nối.

 Xuất hiện sóng mặt.

 Khả năng điều khiển công suất thấp ( 100 W).

 Giới hạn hệ số tăng ích cực đại ( 20 dB).

Có nhiều phương pháp để tối thiểu hóa các hạn chế của aten vi dải.Ví dụ như ta có thểtăng băng thông lên 60% bằng các kỹ thuật đặc biệt ; các hạn chế về độ lợi và công suấtcó thể được khắc phục khi dùng các cấu trúc mảng anten …

2.1.2 Cơ chế bức xạ.

Bức xạ của anten vi dải có thể được xác định bởi phân bố trường giữa patch và mặtphẳng đất.Nói cách khác bức xạ của anten vi dải có thể được biểu diễn bởi phân bố dòngbề mặt của patch.Việc tính toán một cách chính xác phân bố dòng hay trường của patchrất phức tạp nên ta có thể sử dụng các tham số đơn giản và các thuật toán xấp xỉ để kháiquát mô hình làm việc cua anten vi dải.

với một nguồn microwave.Năng lượng trên patch sẽ tạo nên các điện tích phân bố ở mặttrên và dưới của patch.Quá trình tương tự xảy ra ở mặt phẳng đất (hình 1.10).Anten patchcó độ dài khoảng nửa bước sóng nên các phân bố điện tích được hình thành như hình1.10 Phân bố điện tích này được kiểm soát bởi hai cơ chế tương tác giữa các điện tích :

 Lực đẩy giữa các điện tích giống nhau ở đáy patch có xu hướng làm đẩy cácđiện tích ở đáy và cạnh lên bề mặt trên của patch.

 Lực hút giữa các điện tích trái dấu ở đáy của patch và mặt phẳng đất,lực hút nàygiữ các điện tích tập trung ở đáy của patch.

Sự di chuyển của các điện tích dưới sự tương tác của các lực trên tạo nên các dòngchảy trên bề mặt và đáy của patch (⃗Jb;⃗Jt) Đa số các anten vi dải có h/W rất nhỏ nên lựchút giữa các điện tích trái đấu chiếm ưu thế và hầu hết các điện tích tập trung dưới đáypatch.Chỉ một lượng nhỏ điện tích từ các cạnh lên trên bề mặt patch nên dòng do nó tạora rất nhỏ.Do đó thành phần tiếp tuyến từ trường được tạo ra cũng rất nhỏ,ta có thể xấp xỉ

Hình 1 10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải.

nó bằng 0.Hơn nữa độ dày h của chất nền thường là rất nhỏ so với bước sóng nên trườngbiến đổi dọc theo h có thể xem là không đổi và điện trường thì gần như trực giao với bềmặt patch.Như vậy patch có thể được mô hình hóa như là một hốc cộng hưởng với tườngđiện ở bề mặt và đáy cùng với bốn tường từ ở xung quanh bốn cạnh của patch.Bốn mépcủa hốc cộng hưởng sẽ biểu diễn bốn khe hẹp,ở đó quá trình bức xạ sẽ diễn ra.

a)

b)

Hình 1 11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100

Hình 1 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100

a.Phân bố từ ở khe phát xạ ; b Phân bố từ ở khe không phát xạ.

Như ta thấy ở hình 1.12, bức xạ của hai khe nằm dọc theo trục x (dọc theo L) bằngkhông do hai phân bố dòng cùng độ lớn và ngược nhiều nhau.Ở hai khe dọc theo trục y(dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bứcxạ.Như vậy bức xạ của patch có thể được biểu diễn bằng 2 khe dọc như hình 1.13.

2.2 Các loạianten vi dảithông dụng.

Anten vi dải được đăc trưng bởi nhiều tham số vật lý.Chúng có thể được thiết kế vớinhiều hình dạng và hướng khác nhau.Một cách tổng quát ta có thể chia anten vi dải ralàm bốn loại cơ bản : anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch invà anten vi dải sóng chạy

2.2.1 Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna)

Một anten patch vi dải,có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng,nằm trên một mặtcủa chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten patch chủ yếutập trung vào đặc tính bức xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến được mô tả ở hình1.14, chúng có đặc tính bức xạ gần giống nhau mặc dù hình dạng khác nhau.Các loại

Hình 1 13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương

Ngoài ra,còn có những anten patch vi dải dùng cho các ứng dụng đặc biệt như tronghình 1.15.

2.2.2 Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dipole Antenna)

Về mặt hình học, anten vi dải lưỡng cực chỉ khác anten patch hình chữ nhật ở tỉ lệ củachiểu rộng và chiều dài (hình 1.16).Chiều rộng của một anten lưỡng cực thường nhỏ hơn0.05λ0.Thành phần bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch cũng tương tự nhaudo chúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc.Tuy nhiên điện trở bức xạ và băng thông

Hình 1 14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng

Hình 1 15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải

của chúng lại rất khác nhau.Vi dải lưỡng cực không những có nhiều ưu điểm nổi bật nhưkích thước nhỏ, phân cực tuyến tính…mà nó còn là lựa chọn thích hợp với yêu cầu hoạtđộng ở tần số cao,khi độ dày của chất nền lớn.

2.2.3 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 dạngkhác nhau nhưng trên thực tế, chỉ một số loại khe được sử dụng như hình 1.17.

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

Hình 1 16 Anten vi dải lưỡng cực

Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna).

Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường truyền vi dảiđủ dài để hỗ trợ TM mode (hình 1.18).Đầu cuối của anten sóng chạy được phối ghép vớimột mạch phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng phản xạ trong đường truyền.

Các đặc trưng của anten patch vi dải, anten khe vi dải ,anten vi dải lưỡng cực đượcbiểu diễn trong bảng 1.1.

Anten patch vi dải Anten vi dải khe hở Anten vi dải khe mạch in

nào Đa số là hình chữ nhật hoặc tròn Hình chữ nhật và tam giác

Hình 1 17 Anten vi dải khe mạch in

Hình 1 18 Anten sóng chạy

Bảng 1.1 Bảng so sánh các đặc trưng của các loại anten.

2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải.

Có nhiều kỹ thuật được phát triển để tiếp điện cho anten vi dải, nổi bật như các kỹthuật dùng đường vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial feed), ghép gần(promixity coupled) và ghép khe hở (aperture coupled).Việc lựa chọn kỹ thuật tiếp điệnphụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.Vấn đề được quan tâm nhiều nhất khi tiếp điện là hiệu suấtchuyển đồi công suất giữa cấu trúc phát xạ và đường truyền, sự phối hợp trở kháng giữachúng, trở kháng của các thành phần gây ra hiện tượng sóng mặt và bức xạ nhiễu như cácmối nối,chốt chuyển tiếp…Các bức xạ không mong muốn có thể sẽ làm tăng mức thùyphụ và biên độ phân cực chéo trong thành phần bức xạ.Vì vậy,cần tính toán kỹ thuật tiếpđiện sao cho tối thiểu hóa các bức xạ nhiễu và ảnh hưởng của nó.

2.3.1 Đường truyền vi dải (Microstrip Feed).Cấu trúc trường của đường truyền vi dải.

Sóng truyền trên đường vi dải là sóng có gần với dạng sóng TEM (quasi-TEM).Điềunày có nghĩa là trên đường truyền vi dải có vài vùng trong đó chỉ có thành phần điệntrường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng.Hình 1.19 thể hiện giản đồ điện từ trườngcủa một đường truyền vi giải cơ bản.

Trên cấu trúc đường truyền vi giải,giản đồ quasi-TEM xuất hiện.Bởi vì bề mặt tiếpgiáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí nên các đường sứcđiện từ không liên tục tại mặt tiếp giáp này Một phần năng lượng của điện trường đượclưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữ trong chất nền điện môi.

Hằng số điện môi hiệu dụng đối với đường truyền có giá trị nằm ở khoảng giữa hằngsố điện môi của không khí và hằng số điện môi của chất nền.

Hình 1 19 Cấu trúc đường truyền vi dải

Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì có thểxem patch là phần mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo cả hai đồngthời.Việc ghép nối đường truyền vi dải với patch có thể thực hiện như ở hình 1.20a hoặc1.20b.

Hình 1.20b biểu diễn một phương pháp ghép nối tiến bộ hơn, trong đó được truyền vidải được đặt vào trong patch một đoạn l.Tham số l được lựa chọn sao cho trở kháng vàocủa anten là 50Ω).

Tiếp điện bằng đường nối vi dải rất dễ thiết kế và chế tạo nhưng lại gây ra bức xạnhiễu lớn và là nguyên nhân tạo ra phân cực chéo.Vì vậy,kỹ thuật này thường được sửdụng trong các ứng dụng không yêu cầu hiệu suất cao và cần có đường tiếp điện phẳng.Băng thông đạt được khoảng 3-5%.

2.3.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed).

Hình 1 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất để truyền côngsuất microwave.Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối với anten vi dải quakhe hở ở mặt phẳng đất.Một anten thường sử dụng cáp đồng trục loại N như hình1.21.Cáp đồng trục được ghép vào mặt sau của mạch in,sau đó lõi của nó sẽ đi qua chấtnền và được tiếp nối với patch.Vị trí tiếp nối sẽ được tính toán,lựa chọn để có được phốihợp trở kháng tốt nhất.

điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục có ưu điểm là dễ thiết kế vàchế tạo.Hơn nữa,thông qua việc xác định tiếp điểm ta có thể kiểm soát được mức trởkháng vào,tạo thuận lợi cho việc phối hợp trở kháng.Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có mộtsố hạn chế nhất định :

 Trong ứng dụng mang anten,tiếp điện bằng cáp đồng trục yêu cầu nhiều tiếpđiểm.Điều này làm cho việc chế tạo gặp nhiêu khó khăn và anten có độ bền thấp(do cần nhiều mối khoan và hàn).

 Đối với những ứng dụng yêu cầu băng thông cao, ta phải sử dụng anten có chấtnền dày, làm tăng độ dài của cáp đồng trục.Điều này đồng nghĩa với việc làmtăng bức xạ nhiễu,công suất sóng mặt và tăng trở kháng trong đường dẫn.

2.3.3 Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed).

Kỹ thuật này sử dụng 2 lớp chất nền, patch được đặt ở lớp trên và đường truyền đặt ởlớp dưới ; lớp dưới cùng là mặt phẳng đất Patch và đường truyền được nối với nhau nhờtụ tự nhiên.(hình 1.22).Ưu điểm của phương pháp này là có thể hạn chế được nhiễu từđường truyền và cung cấp băng thông rộng hơn (khoảng 13%) bằng cách tăng độ dàychất nền của patch và giảm độ dày chất nền của đường truyền.Ngoài ra,việc patch được

Hình 1 21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục

đặt trên hai chất nền cũng là một nguyên nhân làm tăng độ rộng của băng thông.Ta cũngcó thể có được sự phối hợp trở kháng khi kiểm soát chiều dài của đường truyền và tỉ lệchiều rộng/chiều dài (W/L) của patch.

Hạn chế lớn nhất

khó chế tạo vì hai lớp chất nền đòi hỏi phải có độ định tuyến chính xác.Mặc khác,vìđường truyền không còn nằm trên mặt hở nữa nên người thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn.

2.3.4 Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed).

Kỹ thuật ghép khe hở gồm hai lớp chất nền được chia tách bởi mặt phẳng đất, patchđặt ở lớp trên được ghép nối điên từ đường truyền đặt ở lớp dưới qua một khe hở ở mậtphẳng đất (hình 1.23).Khe hở này có thể có nhiều hình dạng,kích thước và được thiết kếsao cho cải thiện được độ rộng của băng thông cũng như bức xạ của anten.

 Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng với bức xạtừ patch ngược trở xuống đồng thời phải phù hợp với trở kháng.

 Chiều rông khe (Wa) : thông số này ảnh hưởng đến mức độ ghép nối,tuy nhiênảnh hưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thường bằng 1/10chiều dài patch.

Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tối ưu hóa đường truyền và các hàmbức xạ độc lập với nhau.Ví dụ,chất nền của đường truyền phải mỏng và có hằng số điệnmôi cao trong khi chất nền của patch phải dày và có hằng số điện môi thấp.Hơn nữa,nhờ

Hình 1 22 Kỹ thuật ghép gần

có hiệu ứng màn che của mặt phẳng đất, bức xạ từ đường truyền không thể gây can nhiễubức xạ của patch, giúp ta dễ có được sự phân cực thuần

khó chế tạo liên kết rãnh và các lớp chất nền đều có yêu cầu định tuyến phải chính xác.

Đặc tính Đường truyền vidải

Cáp đồng trục Ghép gần Ghép khe hởBức xạ nhiễu từ

Yêu cầu địnhtuyến

Khả năng có

Phối hợp trởkháng

Hình 1 23 Kỹ thuật ghép khe hở

Băng thông (saukhi phối hợp trởkháng)

Bảng 1.2 So sánh các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải.

Từ bảng 1.2 ta nhận thấy kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải bằng phương pháp ghépgần là tốt nhất so với các kỹ thuật còn lại.

2.4 Mảng anten vi dải.2.4.1 Giới thiệu.

Trong nhiều ứng dụng, một phần tử vi dải có thể thỏa mãn được các yêu cầu về kỹthuật, đặc tính.Tuy nhiên,đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông cao, khả năng điềukhiển và quét búp sóng…thì chúng ta phải kết hợp các phần tử bức xạ dưới dạng mộtmảng anten.Các phần tử trong mảng anten có thể được phân bố tuyến tính, phẳng hayhình khối.Mảng anten tuyến tính có các phần tử đặt theo một đường thẳng với khoảngcách xác định.Tương tự, các phần tử của mảng anten phẳng được phân bố trong cùng mộtmặt phẳng và mảng anten khối có phần tử phân bố trong không gian ba chiều.Trong thựctế,tùy từng ứng dụng cụ thể mà ta chọn kiểu phân bố cho các phần tử bức xạ một cáchhợp lý.

Một cách tổng quát,ta có thể xác định được các đặc trưng của mảng anten khi biếtđược phân bố khẩu độ của nó.Vì vậy các phân bố pha và biên độ của tại mỗi phần tử bứcxạ thường được xác định trước và các kỹ thuật tiếp điện cũng cần được tính toán cẩn thậnđể đạt được phân bố cần thiết.

Có hai kỹ thuật tiếp điện cho mảng anten là tiếp điện song song và tiếp điện nối tiếp.Đường truyền trong kỹ thuật tiếp điện song song có một ngõ vào và nhiều ngõ ra liên tụcvới nhau.Các ngõ ra này được ghép nối với từng phần tử bức xạ.Còn trong kỹ thuật tiếpđiện,năng lượng được truyền trên một đường truyền duy nhất.Đường truyền này ghép nốivới các phần tử bức xạ,được bố trí dọc theo một đường thẳng, bằng các kỹ thuật ghép nốinhư cáp đồng trục,ghép gần,ghép khe hở…

Nhìn chung, mạch tiếp điện có nhiều hạn chế ảnh hưởng đến hiệu suất, độ lợi củamảng anten như suy hao điện môi, chất dẫn;suy hao sóng mặt và bức xạ nhiễu từ cácđiểm không liên tục như mối nối, điểm chuyển tiếp…

2.4.2 Đường dẫn song song.Đường dẫn song song một chiều:

Cấu hình cơ bản của đường dẫn song song một chiều với hai cách phân chia công suấtđược mô tả ở hình 1.24.

Đối với phân bố khẩu độ đều,công suất thường được chia đều đến các mối nối.Tuynhiên,ta cũng có thể chọn tỉ lệ chia công suất khác nhau nếu muốn tạo ra phân bố hìnhchuông trên mảng anten.Nếu khoảng cách giữa các phần tử bức xạ được thiết kế giốngnhau,vị trí búp sóng sẽ độc lập với tần số và ta cũng có được đường dẫn băng rộng Ngoàira,nếu phối hợp với bộ tiền định pha hay mở rộng đường truyền như hình 1.25, hướngcủa búp sóng sẽ được kiểm soát.

Hình 1 24 Cấu trúc song song

Hình 1 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch.

a)Mở rộng đường truyền b)phân bố lệch bộ chia công suất c)Định pha

Đường dẫn song song hai chiều:

Đường dẫn song song một chiều có thể được phân bố ở dạng hai chiều như hình1.26.Trong đó,cấu trúc mảng con cơ bản có thể được mở rộng thành các mảng lớn hơnvới 2n phần tử bức xạ mỗi bên để tạo nên một cấu trúc đối xứng Nếu các phần từ bức xạlẻ, ta phải dùng bộ chia không đều để tạo ra phân bố khẩu độ đều.

Có hai cách để phân bố các phần tử bức xạ trong cấu trúc đường dẫn nối tiếp : mảnganten chuyển vị và mảng anten không chuyển vị (hình 1.27).

Đối với mảng không chuyển vị (hình 1.27a),để tạo ra búp sóng thẳng hướng,khoảngcách giữa các phần tử bức xạ thường là λg Còn mảng chuyển vị,vì các phần tử bức xạ kếcận nhau lệch pha 1800 (do cấu trúc ghép nối đường dẫn),khoảng cách giữa các phần tử là

λg/2 để tạo ra búp sóng đúng hướng yêu cầu.Vì vậy mảng chuyển vị có tạo ra búp sóngtrên góc quét rộng hơn mà không tạo thùy nhiễu.

Theo hình 1.27,ta có thể dễ dàng nhận thấy số phần tử bức xạ của cấu trúc đường dẫnnối tiếp sẽ ít hơn cấu trúc song song Hạn chế của cấu trúc này là băng thông hẹp và tồn

Hình 1 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều

tại một độ dịch búp sóng do sự dịch pha của patch tạo ra.Tuy nhiên,bằng cách điều chỉnhcác tham số của mảng một cách thích hợp ta có thể giữ cho độ lệch búp sóng ở mức thấp

Mảng cộng hưởng

Mảng anten nối tiếp có phần tử phát xạ cuối cùng được mắc với mạng mạch hở haynối tắt có độ dài bằng ½ hoặc ¼ bước sóng được gọi là mảng cộng hưởng.Mạch tươngđương của mảng cộng hưởng được biểu diễn ở hình 1.28.Khoảng cách giữa các phần tửbức xạ có thể là λg hoặc λg/2 tùy theo cách sắp xếp các phần tử (không chuyển vị haychuyển vị).Đường dẫn cộng hưởng thường được dùng để tạo ra búp sóng ngang.

Trong thiết kế,tổng dẫncủa mảng được thiết kế bằng với tổng dẫn đặc trưng của đường truyền.

Hình 1 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp

Hình 1 28 Mảng cộng hưởng

gn+j 0=1

Với y là chuẩn hóa tổng dẫn vào của mảng,gn là chuẩn hóa điện dẫn bức xạ và N làtổng số phần tử bức xạ.Tổng dẫn vào của mảng bằng tổng các tổng dẫn vào của từngphần tử.Các giá trị điện dẫn liên quan được chọn tự do để có phân bố khẩu độ được yêucầu.

Mảng sóng chạy

Một mảng nối tiếp được gọi là mảng sóng chạy khi phần tử cuối cùng của đườngtruyền được mắc với một tải phối hợp trở kháng (hình 1.29).Bộ phối hợp trở kháng nàycó chức năng hấp thu năng lượng còn dư để hệ thống có hiệu suất hoạt động tốthơn.Tương tự như trường hợp cộng hưởng,các phần tử bức xạ dọc theo đường truyền cóthể được bố trí với khoảng cách λg hoặc λg/2 ,tương ứng với bố trí không chuyển vị hoặcchuyển vị,để có búp sóng ngang.Khoảng cách này có thể tạo nên VSWR lớn do ngõ vàocó sự kết hợp giữa các sóng phản xạ đồng pha.Để tránh hiện tượng này,các phần tửthường cách nhau lệch một khoảng nhỏ so với λg hoặc λg/2.

m =1N

Với FN là phân bố nguồn kích thích mong muốn (ví dụ như phân bố nguồn dòngTaylor )

N là tổng số phần tử bức xạ.

L là phần tán xạ của công suất vào trong tải phối hợp trở kháng :

Trong thực tế ,L được chọn trong khoảng 5-10%.

Hình 1 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy

Chương 2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM AWR1 Giới thiệu phần mềm AWR.

Môi trường thiết kế AWR bao gồm ba công cụ có thể cùng được sử dụng để tạo ramột hệ thống tích hợp và một môi trường thiết kế analog hoặc RF : phần mềm VisualSystem Simulator (VSS),Microwave Office (MWO) và Analog Office (AO).Ba phầnmềm này được tích hợp đầy đủ trong môi trường AWR và cho phép lồng thiết kế mạchvào trong thiết kế hệ thống mà không cần phải rời khỏi môi trường thiết kế AWR.

VSS cho phép chúng ta thiết kế và phân tích các thiết bị thông tin liên lạc từ đầu cuốiđến đầu cuối.Chúng ta có thể thiết kế một hệ thống bao gồm tín hiệu điều chế,sơ đồ mãhóa,các khối kênh và các đo lường mức công suất của hệ thống.Khi mô phỏng một hệthống,ta có thể sử dụng các bộ thu phát đã được định nghĩa trước trong VSS hoặc tự thiếtkế ra các bộ thu phát từ các khối cơ bản.Tùy theo từng yêu cầu cụ thể về phân tích mà tacó thể dùng các đường cong BER,các đo lường ACRP,phổ công suất,các chòm sao…VSS còn cung cấp cơ chế điều chỉnh cho phép ánh xạ ngay lập tức các điều chỉnh trongthiết kế vào phần biểu diễn dữ liệu.

MWO và AO cho phép ta thiết kế các sơ đồ mạch và cấu trúc điện từ (EM) từ một cơsở dữ liệu mô hình điện mở rộng.Sau đó ,chúng tạo ra layout biểu diễn một cách tổngquát các thiết kế trên

AO cung cấp một môi trường riêng lẻ bao gồm các tập hợp công cụ có đầy đủ cácchức năng cho các thiết kế analog hay RF.