Việc thiết kế các anten và mô phỏng anten mảng trong luận án sử dụng phần mềm CST MWS phiên bản 2018. Mảng 10 phần tử anten Vivaldi được thiết kế trên nền vật liệu Rogers RO4003C (εr = 3,55) có kích thước là 450 ×140 × 1,524 mm3. Mặt phản xạ được là tấm vật liệu FR4 (εr = 4,4) có hai mặt phủ kim loại đồng cókích thước là 503 × 192 × 1,6 mm3. Hình 3.10 trình bày cấu trúc anten mảng Vivaldi và mặt phản xạ được thiết kếhoàn chỉnh.
Hình 3. 10. Anten mảng Vivaldi được thiết kếhoàn chỉnh
Ảnh hưởng của mặt phản xạ kim loại đối với hoạt động của anten mảng Vivaldi được khảo sát theo sựthay đổi của khoảng cách giữa chúng. Các kết quả
Anten mảng Vivaldi Mặt phản xạ df Không khí z y x
mô phỏng cho thấy sựcó mặt của mặt phản xạlàm thay đổi tần số cộng hưởng, dải tần hoạt động, mức nén búp sóng phụ, độ rộng của góc một nửa công suất búp sóng chính và tăng ích cực đại của anten mảng Vivaldi. Giá trị df được biểu diễn theo tỉ lệ với bước sóng truyền trong không gian tự do, λ0, tại tần số 3,5 GHz (𝜆0 = 85,71 𝑚𝑚). Cụ thểnhư sau:
- Hệ số S11 và băng thông hoạt động:
Khi df nằm trong khoảng từ 0,47λ0 đến 0,54λ0thì anten mảng Vivaldi có tần số hoạt động trong khoảng 3,4 - 3,6 GHz với băng thông rộng từ 100 MHz đến 150 MHz. Khi df < 0,3λ0 anten mảng Vivaldi không còn hoạt động ở tần số 3,5 GHz. Kết quả mô phỏng S11 khi khoảng cách df thay đổi được thể hiện tại Hình 3.11.
(a) (b)
Hình 3. 11. Kết quả mô phỏng S11của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df
- Tăng ích và mức búp sóng phụ cực đại:
Khi dfthay đổi, mức tăng ích cực đại của anten và mức búp sóng phụcũng biến thiên như trình bày tại Hình 3.12. Với df trong khoảng từ 0,4λ0 đến 0,54λ0, mức búp sóng phụ được suy giảm tốt nhất và tăng ích đạt cao nhất.
Hình 3. 12. Kết quảmô phỏng tăng ích và mức búp sóng phụ cực đại của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df
- Đồ thị bức xạ:
Theo lý thuyết anten về mặt phản xạ tại [68] thì mặt phẳng phản xạcó vai trò như một mặt gương, phản chiếu các tín hiệu từ nguồn phát (anten phát). Các tín hiệu phản xạ này có thể xem như là tín hiệu phát ra từ một nguồn ảo đối xứng với anten phát qua mặt phản xạ. Pha và góc của tín hiệu từ nguồn ảo phụ thuộc vào khoảng cách df giữa anten mảng và mặt phản xạ. Trường bức xạ tổng hợp tại một điểm phía bên trên mặt phát xạ là tổng của tín hiệu trực tiếp phát xạ từ anten và tín hiệu từ nguồn ảo. Các kết quả mô phỏng anten mảng Vivaldi ở đây chỉ ra rằng, sự có mặt của mặt phản xạ làm triệt tiêu bức xạ của anten mảng ở hướng chiều âm của trục Oz và được định hướng búp sóng chính về phía chiều dương của trục Oz nhưng bị đánh lệch so với trục Oz. Đồng thời, khi khoảng cách dftăng lên thì góc một nửa công suất của búp sóng chính nhỏ dần, búp sóng chính bị phân chia thành các búp nhỏ hơn khi df > 0,54λ0. Sự thay đổi của đồ thị bức xạđược trình bàytrên Hình 3.13. Kết quảmô phỏng tại tần số 3,5 GHz và trường hợp df là 0,4λ0; 0,49λ0; 0,54λ0 và 0,75λ0. Bảng 3.6 trình bày chi tiết đặc điểm của đồ thị bức xạ trong các trường hợp này.
a) df= 0,4λ0 b) df = 0,49λ0
c) df = 0,54λ0 d) df= 0,75λ0
Hình 3. 13. Đồ thị bức xạ ba chiều của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df
Bảng 3. 6. Đặc điểm của đồ thị bức xạ khi thay đổi df
d/λ0 Góc HPBW (o) SLL (dB)* Tăng ích (dBi) Hướng búp sóng chính so với trục Oz (o) 0,4 14,4 -27,3 16,3 44 0,49 14,7 -28,3 16,5 52 > 0,54 búp sóng chính bị phân chia thành các búp nhỏ
* giá trị mô phỏng SLL trung bình, tại φ = 90o
Khoảng cách df = 0,49λ0 có thể thoả mãn đồng thời tiêu chí là mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao nhất: mức búp phụ nhỏhơn -29 dB và tăng ích cao 16,5 dBi. Vì vậy, giá trịnày của dfđược sử dụng cho các khảo sát tiếp theo tại Chương 3. Kết quả mô phỏng chi tiết các tham số của anten mảng Vivaldi với khoảng cách df = 0,49λ0 như sau:
- Tại Hình 3.13(b) đã trình bày đồ thị bức xạ ba chiều của anten mảng Vivaldi khi df = 0,49λ0 tại tần số 3,5 GHz. Hình 3.14 mô tả chi tiết đồ thị bức xạ này tại các mặt cắt φ = 0o và φ = 90o. Kết quả mô phỏng cho thấy, tăng ích cực đại 16,5 dBi của búp sóng chính đạt được tại góc lệch 52o so với trục Oz, mức búp sóng phụ lớn nhất xấp xỉ -29,2 dB.
a) mặt cắt φ = 90o
b) mặt cắt φ = 0o (góc θ offset 52o)
Hình 3. 14. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng Vivaldi khi df = 0,49λ0 - Hình 3.15 trình bày so sánh đồ thị bức xạ đối với hai trường hợp là anten mảng Vivaldi có sử dụng mặt phản xạ (df = 0,49λ0) và không sử dụng mặt phản xạ. Kết quả mô phỏng cho thấy, góc một nửa công suất búp sóng chính trong cả hai trường hợp đều tương đương 14,7o nhưng mức nén búp sóng phụ khi sử dụng mặt phản xạ tốt hơn 4,2 dB so với khi không có mặt phản xạ.
Hình 3. 15. Kết quảmô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng Vivaldi khi có sử dụng và không sử dụng mặt phản xạ.
- Hình 3.16 trình bày mức búp sóng phụ và tăng ích được mô phỏng, khảo sát trong dải tần hoạt động 3,4-3,6 GHz. Kết quảtrình bày tại Hình 3.16(a) cho thấy anten mảng Vivaldi luôn có mức búp sóng phụ nhỏ hơn -26 dB. Mức búp phụđược nén tốt nhất là dưới -29 dB trong băng tần 3,49-3,55 GHz. Trong khi đó, Hình 3.16(b) cho thấy tăng ích của anten mảng luôn đạt xấp xỉ 16,5 dBi, tốt hơn khoảng 4,5 dB nếu so sánh với trường hợp không có mặt phản xạ, đồng thời hiệu suất bức xạ mô phỏng của anten đạt trên 90%.
(a) mức búp sóng phụ (b) tăng ích và hiệu suất bức xạ Hình 3. 16. Kết quả mô phỏng tăng ích và hiệu suất bức xạ của mảng Vivaldi
Đánh giá chung: Các kết quả mô phỏng cho thấy, anten mảng Vivaldi 10 phần tử đáp ứng yêu cầu về giảm mức búp sóng phụ nhỏ hơn -29 dB và có tăng ích đạt 16,5 dBi và hiệu suất bức xạ đạt 90%.