Nghiên cứu lý thuyết về anten vi dải và ứng dụng mở rộng băng thông
MỤC LỤC
Mật độ công suất bức xạ
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ. Thành phần đầu tiên của (2.5) không biến đổi theo thời gian, và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước.
Cường độ bức xạ
Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng , ta định nghĩa các trường phức E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời. Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ, như được cho bởi (2.8) trên toàn góc đặc 4π.
Hệ số định hướng
Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của 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 giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao). Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần 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, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được.
Phân cực
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Bởi vì các đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phân cực, … của anten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau. Phân cực ellip có thể đạt được chỉ khi độ lệch pha theo thời gian giữa 2 thành phần là một số lẻ lần và biên độ của chúng không bằng nhau hay độ lệch pha giữa 2 thành phần không là bội của (không quan tâm đến biên độ của chúng).
Trở kháng vào
Với phân cực ellip, đường cong được quét ở một vị trí cho trước như một hàm theo thời gian, và nói chung nó là một ellip, như được chỉ ra trong hình 1.10(b).
Đường truyền vi dải
Cấu trúc trường của đường truyền vi dải
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện, bởi vì mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí. Điều kiện biên cho điện trường là thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục khi truyền xuyên qua biên; do đó một chất nền có hằng số điện môi là 10, thì điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần so với trong không khí.
Anten vi dải
Giới thiệu chung
Mặt khác, thành phần tiếp tuyến (song song với bề mặt dải dẫn điện) của điện trường cũng phải liên tục khi xuyên qua biên. Hằng số điện môi hiệu dụng đối với các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị hằng số điện môi không khí và hằng số điện môi của chất nền.
Một số loại anten vi dải cơ bản Anten patch vi dải
Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của patch vi dải mà được chỉ ra trong hình 1.7 có thể được thực hiện lại trong dạng của một khe mạch in. Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna, MTA) gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode.
![Hình 1.15. Một vài dipole mạch in và vi dải [7]](https://media.store123doc.com/figures/003/002/hinh-mot-vai-dipole-mach-va-dai-3002608.webp)
Anten patch hình chữ nhật
Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên anten. Hơn nữa, các thiết bị di động ngày càng được tích hợp nhiều chức năng, và anten nhiều băng tần đáp ứng yêu cầu này.
Giới thiệu chung
Dải thông tần
Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (như tín hiệu xung số, tín hiệu video truyền hình, …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ tín hiệu, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten thu) sẽ biến đổi, do đó làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu. Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi nó làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây ra méo dạng tín hiệu.
Dải tần công tác
Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và làm xuất hiện sóng phản xạ trong fide. Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm, và trong thực tế, độ rộng dải tần (băng thông) của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào của anten theo tần số.
Mở rộng băng thông của anten vi dải 1. Giới thiệu
- Kỹ thuật kích thích đa mode
- Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác
Các nhà nghiên cứu đã đi vào nghiên cứu các anten mạch dải này để cải thiện giới hạn băng hẹp trong gần 20 năm, và đã thành công trong việc cải thiện băng thông tính theo trở kháng tới 90% và băng thông tính theo hệ số tăng ích (gain bandwidth) tới 70%. Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác nhau như: tiếp điện bằng “đầu dò” (probe feeding), tiếp điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch với một đường truyền vi dải (proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện vi dải (aperture coupling to a microstrip feed line).
![Hình 2.7. Một vài anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng [7]](https://media.store123doc.com/figures/003/002/hinh-anten-dai-bang-rong-dung-dong-phang-3002612.webp)
Anten vi dải nhiều băng tần
Anten vi dải 2 tần số cộng hưởng
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Kỹ thuật kích thích bằng 2 mode được thực hiện bằng cách kích thích 2 mode cộng hưởng khác nhau lên một patch vi dải đơn. Đặc tính quan trọng nhất cần lưu ý ở đây là khi một trong 2 phần tử mạch dải không cộng hưởng với tần số làm việc của phần tử kia thì nó giống như một phiến kim loại bị đoản mạch.
Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hưởng
Cấu trúc này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều patch đồng phẳng hoặc xếp chồng nhiều patch, trong đó các patch bức xạ có hình dạng giống nhau hoặc khác nhau. Khi anten vi dải được yêu cầu là phải hoạt động tại 2 tần số khác biệt, kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất là mắc tải hỗn hợp hoặc mắc tải điện kháng cho 1 patch đơn.
Phối hợp trở kháng dải rộng
Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến có thể đặt nguồn nuôi vào đó với trở kháng đầu vào là 50 Ω. Kích thước chính xác của phần tử tiếp điện nối tiếp và các điểm phù hợp để đặt nguồn nuôi tốt nhất là được xác định bằng thực nghiệm.
Phối hợp trở kháng dải rộng
Ý nghĩa quan trọng của các kết quả trên là ở chỗ trên thực tế ta có thể tổng hợp được hệ số phản xạ tổng dưới dạng một hàm số theo tần số (hay θ) bằng cách lựa chọn thích hợp các Γn và sử dụng số lượng vừa đủ các phân đoạn (số N). (2.10) Nếu biết Z(z) thì có thể tìm hàm Γ( )θ là hàm phụ thuộc tần số, ngược lại nếu cho trước Γ( )θ thì về nguyên tắc có thể xác định hàm Z(z), tuy nhiên đây là một thủ tục rất khó và trong thực thế người ta thường tránh thực thiện.
Một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng
Nhưng điểm không (của |Г|) đầu tiên đối với bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác xảy ra tại βL = 2π, trong khi điểm không (của |Г|) đầu tiên đối với bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng hàm mũ xảy ra ở βL = π. Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein nhận được từ bộ phối hợp dải rộng nhiều đoạn Chebyshev khi ta cho số lượng các đoạn tiến tới vô cùng, điều này cũng tương tự như phân bố Taylor của lý thuyết mảng anten.
![Hình 2.23. Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein [4]](https://media.store123doc.com/figures/003/002/hinh-bo-phoi-hop-tro-khang-lien-klopfenstein-3002616.webp)
Giới thiệu
Bằng cách xẻ một rãnh uốn khúc trên thành phần bức xạ ban đầu tạo ra 3 nhánh, trong đó nhánh cộng hưởng thứ nhất là nhánh dài hơn, nhánh cộng hưởng thứ hai là nhánh ngắn hơn và nhánh điều chỉnh (nhánh thứ ba) với các kích thước chi tiết được chỉ ra trong hình 3.3. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, bằng cách điều chỉnh cẩn thận các kích thước của nhánh thứ ba, các mode cộng hưởng cơ bản và bậc cao hơn của nhánh cộng hưởng thứ nhất có thể được điều chỉnh tới tần số mong muốn.
Thiết kế thành phần phối hợp trở kháng dải rộng 1. So sánh một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng
Lựa chọn bộ phối hợp trở kháng dải rộng
Trong khóa luận này ta lựa chọn bộ phối hợp trở kháng dạng tam giác. Do hình dạng của nó dễ dàng thực hiện được bằng phương pháp thủ công.
Thiết kế với Ansoft Designer 2.0
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Nhập trở kháng đặc trưng của đường truyền vào phần “Estimate Parameters” và nhấn Calculate.
Thiết kế dựa vào lý thuyết đường truyền vi dải
Đối với mô hình dẫn sóng phẳng, đường vi dải được mô hình hóa như một dẫn sóng có 2 bản dẫn điện song song và chiều dài hữu hạn, với các vật dẫn từ lí tưởng ở các mặt xung quanh và các vật dẫn điện lí tưởng ở mặt trên và mặt dưới của dẫn sóng. Để tránh đánh thủng không khí gần cạnh của dải dẫn điện, thì cạnh của dải dẫn điện nên được sơn một lớp sơn (có tính chất điện môi), lớp sơn này có cùng hằng số điện môi như chất nền và là vật liệu không tổn hao.
Mô phỏng cấu trúc anten với phần mềm Ansoft HFSS 1. Phần mềm HFSS phiên bản 9.1
Kết quả mô phỏng với HFSS 9.1
Với tiêu chuẩn hội tụ được thiết đặt ở trên là: sự thay đổi cực đại của biên độ của tham số S phải nhỏ hơn 0.02 (giá trị mặc định), HFSS cần 6 bước thích nghi để thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ này. Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Từ các giản đồ bức xạ trên ta thấy, khi tần số tăng lên thì giản đồ bức xạ của anten bị bóp méo dần, do ảnh hưởng của bức xạ của mặt phẳng đất, cũng như bức xạ do đường tiếp điện vi dải, cũng như sự lệch phối hợp trở kháng tăng lên.
Chế tạo anten
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến Đo đạc các tham số của anten. Tiếp tục đo đạc anten mới cho tới khi kết quả có thể chấp nhận được.
Đo đạc các tham số của anten
Khóa luận là bước mở đầu trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo anten mạch dải băng rộng có khả năng hoạt động tại nhiều băng tần. Tập trung vào việc điều chỉnh kớch thước của nhánh cộng hưởng thứ 1, vị trí của điểm tiếp điện, và nghiên cứu chi tiết các ảnh hưởng của nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3).
