Anten Vivaldi đơn được sử dụng tại luận án là cấu trúc anten Vivaldi cơ bản đã được đề xuất bởi tác giả của loại anten này, P.J Gibson [83]. Thiết kế chi tiết của anten Vivaldi đơn được trình bày tại Hình 3.4 dưới đây. Cụ thể, cấu trúc anten được thiết kếtrên hai bề mặt của vật liệu điện môinhư sau:
- Ở mặt dưới của anten, cấu trúc Vivaldi phẳng được thiết kế gồm ba thành phần kết nối với nhau lần lượt là một khe hình loa phẳng, một khe hình chữ nhật và một khe hình tròn. Khe hình loa phân bố theo hàm mũ xác định với hệ sốα và p là các số thực dương theo công thức (3.2). Khe hình chữ nhật có độ rộng s và chiều dài là t. Khe tròncóbán kính rvcó vai trò như kết nối mạch hở ở cuối khe hình chữ nhật. Mối quan hệ giữa các tham số đề xuất sử dụng trong thiết kế này được biểu diễn bởi công thức (3.2) và (3.3). Độ rộng của mặt dưới của anten được giới hạn bằng khoảng cách giữa hai lối ra của mạng tiếp điện là 𝑑 ≈ 𝜆2.
𝑦 = 𝜌𝑒−𝑝𝑥 , 𝑥 = 0 ÷2𝑡 (3. 2)
- Ở mặt trên của anten, sử dụng một đường truyền vi dải hở mạch độ rộng
wf có vai trò là thành phần tiếp điện cho anten Vivaldi thông qua khe hình chữ nhật tại mặt dưới. Đường tiếp điện này được phối hợp trởkháng với cổng vào anten qua một đường truyền vi dải độ dài độ rộng w0.
Hình 3. 4. Thiết kế phần tửanten Vivaldi đơn
Với cấu trúc mô tả như Hình 3.4, anten Vivaldi sử dụng kiểu tiếp điện cộng hưởng từ qua khe. Theo lý thuyết đường truyền vi dải cảm ứng qua khe [74] và nghiên cứu tại [84] thì mạch tương đương của cấu trúc này nhìn từđiểm giao nhau giữa đường truyền vi dải và khe hình chữ nhật có thểđược đơn giản hoá như trình bày tại Hình 3.5.
Hình 3. 5. Mạch tương đương của anten Vivaldi đơn
Zs là trở kháng của khe hình chữ nhật có chiều rộng s; Xs là điện cảm ngắn mạch của khe hình tròn bán kính rv; Zmlà trở kháng của đường truyền vi dải; và Cclà điện dung của đoạn đường truyền vi dải hở mạch st.
Cấu trúc anten Vivaldiđơn được tối ưu bằng phương pháp mô phỏng. Từ sơ đồ mạch tương đương cho thấy hoạt động của anten Vivaldi phụ thuộc vào trở kháng đường vi dải tiếp điện và trở kháng khe vi dải. Theo lý thuyết về
Mặt trên
đường truyền vi dải thì các tham sốnày có thểđược điều chỉnh bởi độ rộng các đường truyền vi dải và độ rộng các khe. Hình 3.6 trình bày khảo sát hệ số S11
theo sự biến thiên của độ rộng khe hình chữ nhật s, bán kính khe hình tròn rv, độdài đường tiếp điện qua khe l và độdài đoạn phối hợp trởkháng st.
(a) thay đổi s (mm) (b) thay đổi bán kính rv (mm)
(c) thay đổi chiều dài l (mm) (d) thay đổi độ đài st (mm) Hình 3. 6. Kết quả mô phỏng thay đổi của S11 theo các tham số
Kết quả mô phỏng khảo sát cho thấy, bán kính rv và độdài l là yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất đến vị trí tần số cộng hưởng và độ rộng băng thông của anten. Trên cơ sở các kết quả mô phỏng, Bảng 3.5 trình bày bộ tham số thiết kế của anten Vivaldi đơn có dải tần hoạt động 3,5 GHz được sử dụng để khởi tạo anten mảng Vivaldi trong luận án.
Bảng 3. 5. Tham số thiết kế anten Vivaldi phần tửđơn (mm)
w0 wf d t s rv l st 𝝆