2. Lý thuyết chung về anten vi dải
2.3.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxỉal Feed)
Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất để truyền công suất microwave.Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối với anten vi dải qua khe hở ở mặt phẳng đất.Một anten thường sử dụng cáp đồng trục loại N như hình 1.21.Cáp đồng trục được ghép vào mặt sau của mạch in,sau đó lõi của nó sẽ đi qua chất nền và được tiếp nối với patch.VỊ trí tiếp nối sẽ được tính toán,lựa chọn để có được phối hợp trở kháng tốt nhất.
Hình 1.21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục
Cũng giống như tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục có ưu điểm là dễ thiết kế và chế tạo.Hơn nữa,thông qua việc xác định tiếp điểm ta có thể kiểm soát được mức trở kháng vào,tạo thuận lợi cho việc phối hợp trở kháng.Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có một số hạn chế nhất định :
> Trong ứng dụng mang anten,tiếp điện bằng cáp đồng trục yêu càu nhiều tiếp điểm.Điều này làm cho việc chế tạo gặp nhiêu khó khăn và anten có độ bền thấp (do càn nhiều mối khoan và hàn).
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
> Đối với những ứng dụng yêu càu băng thông cao, ta phải sử dụng anten có chất nền dày, làm tăng độ dài của cáp đồng trục.Điều này đồng nghĩa với việc làm tăng bức xạ nhiễu,công suất sóng mặt và tăng trở kháng trong đường dẫn.
2.3.3. Ghép gần (Proxiraity Coupled Mỉcrostrip Feed).
Kỹ thuật này sử dụng 2 lớp chất nền, patch được đặt ở lớp trên và đường truyền đặt ở lớp dưới; lớp dưới cùng là mặt phẳng đất .Patch và đường truyền được nối với nhau nhờ tụ tự nhiên.(hình 1.22).ƯU điểm của phương pháp này là có thể hạn chế được nhiễu từ đường truyền và cung cấp băng thông rộng hơn (khoảng 13%) bằng cách tăng độ dày chất nền của patch và giảm độ dày chất nền của đường truyền.Ngoài ra,việc patch được đặt trên hai chất nền cũng là một nguyên nhân làm tăng độ rộng của băng thông. Ta cũng có thể có được sự phối hợp trở kháng khi kiểm soát chiều dài của đường truyền và tỉ lệ chiều rộng/chiều dài (W/L) của patch.
Hình 1. 22 Kỹ thuật ghép gần
Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo vì hai lớp chất nền đòi hỏi phải có độ định tuyến chính xác.Mặc khác,vì đường 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, patch đặt ở lớp trên được ghép nối điên từ đường truyền đặt ở lớp dưới qua một khe hở ở mật phẳng đất (hình 1.23).Khe hở này có thể có nhiều hình dạng,kích thước và được thiết kế sao cho cải thiện được độ rộng của băng thông cũng như bức xạ của anten.
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
> Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng với bức xạ từ 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 nói,tuy nhiên ảnh hưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thường bằng 1/10 chiều dài patch. Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tói ưu hóa đường truyền và các hàm bức xạ độc lập với nhau.Ví dụ,chất nền của đường truyền phải mỏng và có hằng số điện môi cao trong khi chất nền của patch phải dày và có hằng số điện môi thấp.Hơn nữa,nhờ có hiệu ứng màn che của mặt phẳng đất, bức xạ từ đường truyền không thể gây can nhiễu bức xạ của patch, giúp ta dễ có được sự phân cực thuần.
Hình 1. 23 Kỹ thuật ghép khe hở
Hạn chế của kỹ thuật ghép gàn là khó chế tạo liên kết rãnh và các lớp chất nền đều có yêu càu định tuyến phải chính xác.
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
Đặc tính Đường truyên vi dải Cáp đông trục Ghép gân Ghép khe hở
Bức xạ nhiêu từ đường truyền
Nhiêu Nhiêu It It nhât
Độ bên Tôt Thâp (do các môi
khoan và hàn)
Khá Khá
Chê tạo Dê Yêu câu khoan và
hàn Yêu câu định tuyến Yêu câu định tuyến
Khả năng có phân cực thuần
Khó Khó Khó Tôt
Phôi hợp trở kháng Dê Dê Dê Dê
Băng thông (sau khi phối hợp trở kháng)
2-5% 2-5% 13% 21%
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 ghép gàn là tốt nhất so với các kỹ thuật còn lại.
2.4. Mảng anten vỉ dải. 2.4.1. Giới thiệu.
Trong nhiều ứng dụng, một phàn tử vi dải có thể thỏa mãn được các yêu càu về kỹ thuật, đặc tính. Tuy nhiên,đối với các ứng dụng yêu càu băng thông cao, khả năng điều khiển và quét búp sóng...thì chúng ta phải kết hợp các phàn tử bức xạ dưới dạng một mảng anten.Các phần tử trong mảng anten có thể được phân bố tuyến tính, phang hay hình khối.Mảng anten tuyến tính có các phần tử đặt theo một đường thẳng với khoảng cách xác định.Tương tự, các phàn tử của mảng anten phẳng được phân bố trong cùng một mặt phang và mảng anten khối có phàn tử phân bố trong không gian ba chiều. Trong thực tế,tùy từng ứng dụng cụ thể mà ta chọn kiểu phân bố cho các phần tử bức xạ một cách hợp lý.
Một cách tổng quát,ta có thể xác định được các đặc trưng của mảng anten khi biết được phân bố khẩu độ của nó.Vì vậy các phân bố pha và biên độ của tại mỗi phàn tử bức xạ thường được xác định trước và các kỹ thuật tiếp điện cũng càn được tính toán cẩn thận để đạt được phân bố càn 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 tục
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
với nhau.Các ngõ ra này được ghép nối với từng phàn tử bức xạ.Còn trong kỹ thuật tiếp điện,năng lượng được truyền trên một đường truyền duy nhất.Đường truyền này ghép nối với các phàn tử bức xạ,được bố trí dọc theo một đường thẳng, bằng các kỹ thuật ghép nối như cáp đồng trục,ghép gàn,ghép khe hở...
Nhìn chung, mạch tiếp điện có nhiều hạn chế ảnh hưởng đến hiệu suất, độ lợi của mảng anten như suy hao điện môi, chất dẫn; suy hao sóng mặt và bức xạ nhiễu từ các điểm không liên tục như mối nối, điểm chuyển tiếp...
2.4.2. Đường dẫn song song.Đường dẫn song song một chiều: Đường dẫn song song một chiều:
Cấu hình cơ bản của đường dẫn song song một chiều với hai cách phân chia công suất được mô tả ở hình 1.24.
M U ụ ụ
a)
Hình 1. 24 Cấu trúc song song a.cấu trúc đối xứng b. cấu trúc bất đối xứng.
Đối với phân bố khẩu độ đều,công suất thường được chia đều đến các mối nối.Tuy nhiên,ta cũng có thể chọn tỉ lệ chia công suất khác nhau nếu muốn tạo ra phân bố hình chuông trên mảng anten.Neu khoảng cách giữa các phần tử bức xạ được thiết kế giống nhau, vị trí búp sóng sẽ độc lập với tần số và ta cũng có được đường dẫn băng rộng. Ngoài ra,nếu phối hợp với bộ tiền định pha hay mở rộng đường truyền như hình 1.25, hướng của búp sóng sẽ được kiểm soát.
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
1rị L-~r ~ . t~ ~ * '—rị—* I ■—r
ỈL£ ữ & ỉ f & ữ
1——ỈT
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 hình 1.26.Trong đó,cấu trúc mảng con cơ bản có thể được mở rộng thành các mảng lớn hơn với 2™ phàn tử bức xạ mỗi bên để tạo nên một cấu trúc đối xứng. Nếu các phần từ bức xạ lẻ, ta phải dùng bộ chia không đều để tạo ra phân bố khẩu độ đều.
Hình 1. 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
Đường dẫn nối tiếp.
Có hai cách để phân bố các phàn tử bức xạ trong cấu trúc đường dẫn nối tiếp : mảng anten 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,khoảng cách giữa các phàn tử bức xạ thường là ẢQ . Còn mảng chuyển vị,vì các phàn tử bức xạ kế cận nhau lệch pha l00" (do cấu trúc ghép nối đường dẫn),khoảng cách giữa các phàn tử
X r
là 7. đê tạo ra búp sóng đúng hướng yêu câu. Vì vậy mảng chuyên vị có tạo ra búp sóng trên góc quét rộng hơn mà không tạo thùy nhiễu.
Theo hình 1.27,ta có thể dễ dàng nhận thấy số phàn tử bức xạ của cấu trúc đường dẫn nối tiếp sẽ ít hơn cấu trúc song song. Hạn chế của cấu trúc này là băng thông hẹp và tồn tại một độ dịch búp sóng do sự dịch pha của patch tạo ra.Tuy nhiên,bằng cách điều chỉnh các tham số của mảng một cách
,_Jl L — — Ĩ L - — d
(a)
In Jì_ÍL Load
lí
Cb>
Hình 1. 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp a.Mảng không chuyển vi b. Mảng chuyển vị
Mảng cộng hưởng
Mảng anten nối tiếp có phần tử phát xạ cuối cùng được mắc với mạng mạch hở hay nối tắt có độ
dài bằng Vi hoặc % bước sóng được gọi là mảng cộng hưởng.Mạch tương đương của mảng cộng
hưởng được biểu diễn ở hình 1.28.Khoảng cách giữa các phàn tử
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
, , _______________________ , , , ,
bức xạ có thê là ÍJ hoặc 2 tùy theo cách săp xêp các phân tử (không chuyên vị hay chuyển vị).Đường dẫn cộng hưởng thường được dùng để tạo ra búp sóng ngang.
Hình 1. 28 Mảng cộng hưởng
Trong thiết kế,tổng dẫn của mảng được thiết kế bằng với tổng dẫn đặc trưng của đường truyền.
N
y= =1
n — B
Với y là chuẩn hóa tổng dẫn vào của mảng, 9«. là chuẩn hóa điện dẫn bức xạ và N là tổng số phàn tử bức xạ. Tổng dẫn vào của mảng bằng tổng các tổng dẫn vào của từng phàn tử. Các giá trị điện dẫn liên quan được chọn tự do để có phân bố khẩu độ được yêu
Mảng sóng chạy
Một mảng nối tiếp được gọi là mảng sóng chạy khi phàn tử cuối cùng của đường truyền được mắc với một tải phối hợp trở kháng (hình 1.29).Bộ phối hợp trở kháng này có chức năng hấp thu năng lượng còn dư để hệ thống có hiệu suất hoạt động tốt hơn.Tương tự như trường hợp cộng hưởng,các phần tử bức xạ dọc theo đường truyền có
: I ĩ ___ — _______________ I :
thê được bô trí với khoảng cách Ag hoặc 2 ,tương ứng với bô trí không chuyên vị hoặc chuyển vị,để có búp sóng ngang.Khoảng cách này có thể tạo nên VSWR lớn do ngõ vào có sự kết hợp giữa các sóng phản xạ đồng pha. Đẻ tránh hiện tượng này, các phàn tử
i- 3 _ =
thường cách nhau lệch một khoảng nhỏ so với H hoặc 2 .
Khóa Luân Tốt Nghiệp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
<a>
(b)
Hình 1. 29 Mảng sóng chạy
Nếu ta bở qua suy hao trên đường truyền,từ mô hình mạch tương đương (hình 1.30) ,ta có thể suy ra điện dẫn chuẩn hóa của phần tử bức xạ thứ n :
rjV
Sn J
L TiV p _ p
[_ Ị £‘771=1* rn ĨTL
Với là phân bố nguồn kích thích mong muốn (ví dụ như phân bố nguồn dòng Taylor..)
N là tổng số phàn tử bức xạ.
L là phần tán xạ của công suất vào trong tải phối hợp trở kháng :
Ạ
L = - zoa ú
Trong thực tế ,L được chọn trong khoảng 5-10%.
Hình 1. 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
Chương 2. TÌM HIẺU PHÀN MỀM AWR
1. Giới thiệu phần mềm AWR.
Môi trường thiết kế AWR bao gồm ba công cụ có thể cùng được sử dụng để tạo ra một hệ thống tích hợp và một môi trường thiết kế analog hoặc RF : phần mềm Visual System Simulator (VSS),Microwave Office (MWO) và Analog Office (AO).Ba phàn mềm này được tích hợp đầy đủ trong môi trường AWR và cho phép lồng thiết kế mạch vào 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 đàu cuối đến đàu cuối. Chúng ta có thể thiết kế một hệ thống bao gồm tín hiệu điều chế, sơ đồ mã hóa,các khối kênh và các đo lường mức công suất của hệ thống.Khi mô phỏng một hệ thống,ta có thể sử dụng các
bộ thu phát đã được định nghĩa trước trong vss hoặc tự thiết kế ra các bộ thu phát từ các khối cơ
bản. Tùy theo từng yêu càu cụ thể về phân tích mà ta có 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 trong thiết kế vào phàn biểu diễn dữ liệu.
MWO và AO cho phép ta thiết kế các sơ đồ mạch và cấu trúc điện từ (EM) từ một cơ sở dữ liệu mô hình điện mở rộng. Sau đó ,chúng tạo ra layout biểu diễn một cách tổng quát các thiết kế trên.
AO cung cấp một môi trường riêng lẻ bao gồm các tập hợp công cụ có đày đủ các chức năng cho các thiết kế analog hay RF.
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
Hình 2. 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR
2. Môi trường thiết kế AWR.
2.1. Các thành phần Cff bản của AWR.
Đe bắt đàu sử dụng chương trình AWR ta chọn thẻ Windown Start ->Programs - ỳAWR 2009 4AWR Design Environment.
Sinh viên : Phạm Phú Hưng
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
Title bar ■ Menus ■— Toolbar ■ Pioieer Bromer- System diagrams Circuit scliemaiics ' Workspace ■ Tabs
Untitled Proje>ct - AWR Desigpi Environment (9.0Oễ4827) ^Isusi : File Eõit View PTQiect SidỊulate OptũPE Toois Scripts Wftndow hàp AVVR
: Qlé£ 5Ĩ1, «£ Ịạ.CỊ I.Ỉ&Ì ậkEELL.□ ỉ ỂI é Ể3 ÍỀL1Ể s> " ạ
X
* IU] Proj ect
E SEẸgg
; E Design Notes ĩ&l Project Optsons ' -Ma Gtobal Definitions ; 3 Data FScs
System Diag-rams " "Éẳi Options System 0[ «■ ■£] Circuit Schemaíics
Ễ& Opti&ns Ckt Optior
ạ - si EM Structures
teắ> Optìons EM option
■1*3 Outpdt EquaSons mj Graphs <>i opbmcer Goals r^íl Yieid Goals ■53 Qutput Fìles É" □ Wizards
■ Z) User Folders
<1 J ẦẤ
ẼĩỊPro... |@0e.,, |®Lav...
I sta tus Wìndow I
Hình 2. 2 Môi trường thiết kế AWR
Môi trường thiết kế AWR cung cấp các công cụ, các lựa chọn danh sách,thành phàn,cửa sổ giúp ta có thể tạo ra các sơ đồ mạch tuyến tính hoặc không tuyến tính,thiết kế các cấu trúc điện từ (EM);đồng thời tạo ra layout của mạch,các sơ đồ hệ thống và biểu diễn các mô phỏng và đồ thị.Các thành phàn chính yếu của AWR được trình bày trong bảng 2.1.
Khỏa Luân Tốt Nghiẽp_________Khoa : Điên Tử - Viễn Thông.
Thành phân Miêu tả
Menu Tập hợp các thành phân chủ yêu của vss, MWO, AO và được đặt ở đỉnh của
giao diện AWR.
Toolbar Dãy các thẻ bên dưới menu, chứa các công cụ thường xuyên được sử dụng
như tạo một sơ đồ mới, biểu diễn mô phỏng, điều chỉnh giá trị của các tham số hoặc biến.. .Tùy theo các hàm đang được sử dụng hoặc tùy theo môi trường thiết kế mà các thể này có thể hoạt động hoặc không.
Project Browser Năm ở cột bên tói của giao diện và là tập hợp các thành phân,dữ liệu xác định
nên project đang hoạt động. Các biểu tượng được sắp xếp theo sơ đồ hình cây và bao gồm các sơ đồ,biểu đồ của hệ thống và cấu trúc EM,thiết lập tần số mô phỏng...Project Browser hoạt động ngay sau khi AWR được kích hoạt.
Element Browser Bao gôm các phân tử mạch đê thiêt kê sơ đô hoặc các khôi hệ thống để xây
dựng các sơ đồ hệ thống.Element nằm 0 cột bên trái của giao diện AWR,cùng với Project Browser.
Work space Là nơi ta thiêt kê các sơ đô, giản đô, vẽ các câu trúc EM, xem và chỉnh sửa
layout hoặc các đồ thị.
Tabs Tập hợp các thẻ năm ở góc trái của giao diện cho phép ta chuyên đồi từ