Các anten DSPD có cấu trúc phổ biến gồm một đường tiếp điện vi dải kết nối với hai mặt phát xạ ở hai bề mặt đối diện của vật liệu điện môi. Mặt phát xạ của các anten DSPD có nhiều dạng phổ biến như hình chữ nhật, hình đa giác, hình tròn hay hình dải quạt. Anten DSPD sử dụng tại luận án xuất phát từ các anten DSPD có mặt phát xạ hình chữ nhật. Mỗi mặt phát xạ được tiếp điện qua một đường truyền vi dải có chiều dài tổng cộng xấp xỉ bằng một lần bước sóng. Đường truyền vi dải này được phối hợp trởkháng với cổng vào của anten bằng một đường truyền vi dải có chiều dài một phần tư bước sóng như mô tả tại Hình 4.3(a). Cấu trúc này được phát triển để sử dụng tại luận án với cải tiến về đồ thị bức xạvà cải thiện băng thông, tăng ích hoạt động như sau:
- Giải pháp cấu trúc lại vịtrí các mặt phát xạđể cải thiện đồ thị bức xạ của anten mảng cấu thành từcác phần tử DSPD:
Tại các nghiên cứu [34] và [89] anten mảng DSPD được sắp xếp theo dọc theo trục Ox, tất cảcác mặt phát xạ của phần tửanten đơn nằm trên một đường thẳng song song với trục Ox. Các anten mảng với cấu trúc này, khi không có mặt phản xạ thường có hướng cực đại của búp sóng chính song song với trục Oy. Tại [34], khi đặt mặt phản xạ ở mặt sau của anten mảng để nâng cao tăng ích và giảm mức búp sóng phụ thì búp sóng chính bị lệch so với trục Oz góc 38,5otương tựnhư trường hợp anten mảng Vivaldi đã đề xuất tại Chương 3 của luận án này. Tại [89], mặt phản xạgóc được sử dụng để giảm mức búp sóng để không làm thay đổi hướng búp sóng chính. Tuy vậy, cấu trúc này có nhược điểm là khó ghép nối giữa mặt phản xạ với anten mảng và khó tích hợp trong hệ thống. Giải pháp được đề xuất tại luận án là bố trí các anten DSPD đơn
sao cho các mặt phát xạ song song với trục Oy. Khi đó, đường tiếp điện vi dải hai mặt được sử dụng là đường gấp khúc 90o như mô tả tại Hình 4.3(b).
(a) DSPD thông thường (b) DSPD tại luận án Hình 4. 3. Giải pháp điều chỉnh hướng các mặt phát xạ của DSPD
- Giải pháp cải thiện băng thông và tăng ích của anten DSPD
Tại nghiên cứu [93], việc tạo các góc cắt trên mặt phát xạ của anten DSPD làm thay đổi thành phần điện kháng của anten có thể được sử dụng để tối ưu băng thông hoạt động của anten DSPD. Để cải thiện hệ số S11và mở rộng băng thông hoạt động của anten DSPD đề xuất, luận án đề xuất giải pháp sau: Tại hai góc đối diện của mặt phát xạhình chữ nhật cắt các cung tròn, đồng thời tại mặt trên của anten được thêm vào hai phần tử ký sinh cókích thước chiều dài bằng chiều dài của mặt phát xạ, kích thước chiều rộng và khoảng cách giữa các phần tử này suy giảm theo hệ sốτ = 0,8. Chi tiết trình bày tại Hình 4.4.
Hình 4. 4. Thiết kế của anten DSPD đơn tối ưu được sử dụng tại luận án
Mặt trên
Hình 4.5trình bày kết quảmô phỏng S11và tăng ích của anten DSPD được đề xuất (trường hợp có và không có các phần tử ký sinh) so sánh với anten DSPD có mặt phát xạhình chữ nhật ban đầu.
(a) hệ số S11 (b) tăng ích
Hình 4. 5. Kết quảmô phỏng anten DSPD đề xuất và DSPD hình chữ nhật Từ kết quả trình bày tại Hình 4.5 cho thấy, với việc cắt các góc của mặt phát xạ hình chữ nhật bởi các cung tròn bán kính ra, giá trị của S11 tại tần số 3,5 GHz đã được cải thiện đáng kể (S11 của anten DSPD đề xuất tại tần số cộng hưởng đạt -20 dB so với giá trị S11 = -15 dB của DSPD hình chữ nhật), băng thông hoạt động được mở rộng từ 400 MHz lên 640 MHz (Hình 4.5a) nhưng làm giảm tăng ích khoảng 0,25 dB (từ 3,5 dBi giảm xuống 3,25 dBi). Việc bổ sung các phần tửký sinh đã giải quyết được hạn chế này khi tăng ích đã được tăng thêm 0,35 dB đạt 3,6 dBi tại tần số 3,5 GHz (Hình 4.5b). Kích thước tối ưu của anten DSPD lựa chọn qua mô phỏng trình bày tại Bảng 4.5.
Bảng 4. 5. Tham số thiết kế anten DSPD đơn sử dụng tại luận án (mm)
w0 wf wa ra ds la τ
3,41 1,2 6 7,5 4,6 8 0,8
Kết quả mô phỏng anten DSPD đơn đề xuất tại luận án được trình bày tại Hình 4.6. Anten DSPD đơn có băng thông hoạt động 640 MHz (3,35-3,99 GHz) tại giá trị S11 = -10 dB. Tăng ích cực đại khoảng 3,83 dBi.
(a) hệ số S11 (b) đồ thị bức xạtheo góc θ
Hình 4. 6. Kết quả mô phỏng anten DSPD đơn
Để khảo sát về mặt ký thuyết đáp ứng của anten mảng DSPD này, một anten mảng gồm 10 phần tử DSPD đơn đề xuất ở trên được xây dựng và mô phỏng với nguồn tiếp điện lý tưởng (sử dụng 10 waveports và chức năng Combine Results của phần mềm mô phỏng CST MWS 2018). Các bộ trọng số biên độ được sử dụng là: trọng số phân bố đều, trọng số lấy từ thuật toán Chebyshev (với mức SLL = -25 dB) và trọng số tối ưu từ thuật toán đàn Dơi (với yêu cầu mức SLL = -25 dB và đặt điểm không tại góc 17o).
Kết quảmô phỏng trìnhbày tại Hình 4.7 là đồ thị bức xạ trong mặt phẳng xOz tại của anten mảng DSPD ở tần sốtrung tâm 3,5 GHz. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi áp dụng bộ trọng sốbiên độ tối ưu đàn Dơi thìđỉnh búp sóng phụ thứ nhất đã giảm thêm 27 dB so với khi sử dụng phân bố đều. Bộ trọng số tối ưu đàn Dơi và trọng sốChebyshev đều làm suy giảm mức cao nhất của các búp sóng phụ xuống -25 dB, nhưng trọng số đàn Dơi có ưu điểm hơn do nén được búp sóng phụ thứ nhất với độ sâu của điểm không tốt nhất có thể đạt xấp xỉ mức -40 dB.
Hình 4. 7. Mô phỏng anten mảng DSPD lý tưởng với các phân bố biên độ khác nhau
b) Thiết kế anten mảng DSPD-1
Anten mảng tuyến tính DSPD-1 được thiết kế bằng cách ghép 10 phần tử anten đơn DSPD vào mạng tiếp điện. Các phần tử anten DSPD được kết nối với mạng tiếp điện bằng đường truyền vi dải đóng vai trò là thành phần phối hợp trởkháng. Khoảng cách giữa các phần tử xấp xỉ một nửa bước sóng truyền trong không gian tự do tại tần số 3,5 GHz. Hình 4.8 thể hiện thiết kế của anten mảng DSPD-1 ở mặt trên và mặt dưới.
(a) mặt trên
(b) mặt dưới
Hình 4. 8. Thiết kế anten mảng DSPD-1 với 10 phần tử
Với cấu trúc anten mảng tuyến tính DSPD như đề xuất, anten có đồ thị bức xạ vuông góc với mặt phẳng anten nhưng có hai búp sóng chính hướng
vềhai phía của trục Oz như kết quả mô phỏng trình bày tại Hình 4.9. Tăng ích cực đại của búp sóng chính là 12,9 dBi.
Hình 4. 9. Đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 khi không có mặt phản xạ Để tập trung bức xạ của anten mảng DSPD-1 theo chiều dương của trục Oz, kỹ thuật đặt mặt phản xạ đã sử dụng trong trường hợp anten mảng Vivaldi tại Chương 3 được áp dụng cho anten mảng DSPD. Khoảng cách giữa mặt phản xạvà anten mảng là dfnhư mô tả tại Hình 4.10.
Hình 4. 10. Cấu trúc anten mảng DSPD-1 và mặt phản xạ