Mạng tiếp điện vi dải sử dụng cho các anten mảng cố định thường được thiết kế từ phần tử thụ động là đường truyền vi dải và bộ chia công suất, trong đó chủ yếu là bộchia công suất hình T. Đặc điểm của các thành phần của mạng tiếp điện phụ thuộc vào tính chất của vật liệu làm nền cũng như dải tần số hoạt động mong muốn.
a) Đường truyền vi dải
Cấu trúc đường truyền vi dải có thể phân chia thành một số loại là đường truyền vi dải đồng phẳng, đường truyền vi dải song hành, đường truyền khe vi dải, đường truyền vi dải dạng ống dẫn sóng phẳng [74]. Trong số đó, đường truyền vi dải đồng phẳng được sử dụng phổ biến nhất trong các mạng tiếp điện vi dải. Đường truyền vi dải được mô tả tại Hình 2.4 bao gồm một miếng vật liệu chất nền có mặt trên là một đường truyền vi dải và mặt dưới đóng vai trò là mặt phẳng đất. Tính chất của đường truyền vi dải phụ thuộc vào đặc điểm của lớp điện môi như hằng sốđiện môi, từ thẩm, độdày vật liệu…
Lý thuyết về đường truyền vi dải đã được nghiên cứu từlâu và được tổng hợp trong các tài liệu [73] và [74]. Theo đó, có thể phân tích và tổng hợp đường truyền này theocác công thức thực nghiệm khi biết trở kháng, độ rộng đường truyền và tính chất của lớp vật liệu điện môi. Hiện nay, có thể sử dụng các phần mềm máy tính phổ biến đểtính toán trởkháng và tổng hợp đường truyền vi dải một cách dễ dàng mà không cần phải sử dụng các công thức tính toán thực nghiệm phức tạp.
Hình 2. 4. Đường truyền vi dải
Trên Hình 2.4, w là độ rộng; h là độ dày lớp vật liệu điện môi và εr là hằng số điện môi hiệu dụng. Bước sóng hiệu dụng λg của tín hiệu truyền qua lớp vật liệu điện môi được tính như sau:
𝜆𝑔 = 𝜆0
√𝜀𝑟 (2. 1)
Hằng sốphát xạ βđược tính bởi công thức:
𝛽 = 2𝜋𝜆
0√𝜀𝑟 = 𝑘0√𝜀𝑟 (2. 2)
Trong đó, k0 là số bước sóng trong một chu kỳ 2π
Độdài điện 𝜙(tính bằng độ) của đường truyền vi dải có độ dài l được tính bởi công thức:
𝜙 = 𝛽𝑙 (2. 3)
b) Đường truyền vi dải một phần tưbước sóng
Để truyền tín hiệu qua hai đường truyền vi dải có trởkháng khác nhau cần có bộ phối hợp trở kháng để giảm tín hiệu phản xạ. Một trong những kỹ thuật phối hợp trở kháng phổ biến khi thiết kế, ghép nối các đường truyền vi dải là sử dụng đường truyền vi dải chuyển tiếp có độdài bằng một phần tư bước sóng như mô tả tại Hình 2.5. Hình 2. 5. Bộ phối hợp trở kháng một phần tưbước sóng εr w h Z0 Zt ZL l = λg/4
Giả thiết cần phối hợp trởkháng giữa hai đường truyền vi dải có trởkháng là ZL và Z0. Khi đó, trở kháng Zt của đường truyền chuyển tiếp có độ dài bằng một phần tưbước sóng được tính như sau [75]:
𝑍𝑡 = √𝑍𝐿𝑍0 (2. 4)
Tại tần số thiết kế f0 và điều kiện lý tưởng, hệ số phản xạ г vô cùng nhỏ, khi đó độdài điện của đường truyền một phần tư bước sóng là:
𝜙 = 𝛽𝑙 = 2𝜋𝜆
𝑔
𝜆𝑔
4 = 𝜋2 (2. 5)
Tuy nhiên, chỉ tại tần số thiết kế f0 các đường truyền có thể xem là được phối hợp trở kháng hoàn hảo. Tại các tần số lân cận khác f0, việc phối hợp trởkháng là không còn hoàn hảo nữa và sinh ra sóng phản xạ. Trên thực tếcác đường truyền không làm việc ở một tần sốmà trong một dải tần. Giả thiết rằng dải tần hoạt động của đường truyền là từ fmi đến fma thỏa mãn điều kiện
fmi < f0 < fma và Δfm = |fmi - f0| = |fma - f0|; hệ số phản xạ của đường truyền tại tần số fmivà fmalà гmvà độ dài điện tương ứng là ϕmivà ϕma. Khi đó, băng thông hoạt động của đường truyền tương ứng với hệ số phản xạгmlà:
Δf = 2Δfm (2. 6)
Tỉ lệ phần trăm của băng thông đường truyền so với tần số cộng hưởng trung tâm f0 được tính bởi công thức sau [75]:
BW(%) = 100∆𝑓𝑓
0 = 100 (2 − 𝜋4𝑐𝑜𝑠−1[ 𝛤𝑚
√1− 𝛤𝑚2
2√𝑍0𝑍𝐿
|𝑍𝐿− 𝑍0|]) (2. 7) Độ dài điện của đường truyền biến thiên trong đoạn [ϕmi, ϕma] như trình bày tại Hình 2.6 và thỏa mãn:
∅𝑚𝑖 < 𝜋2 < ∅𝑚𝑎 (2. 8)
Hình 2. 6. Sựthay đổi của độdài điện của đường truyền một phần tư bước sóng theo hệ số phản xạ гm
c) Bộ chia công suất
Bộ chia công suất sử dụng phổ biến nhất trong thiết kếcác mạng tiếp điện là bộ chia công suất hình T như mô tả tại Hình 2.7. Bộ chia cân bằng được sử dụng cho các mạng tiếp điện có phân bố đều. Khi các anten mảng tuyến tính có yêu cầu vềđiều khiển búp sóngthìcó bộ trọng số lối vào anten mảng sẽ thay đổi. Trong trường hợp này, các bộ chia cần được tính toán lại để đáp ứng được phân bốcông suất tại các lối ra theo yêu cầu.
Hình 2. 7. Bộchia công suất hình T Phương pháp thiết kế bộchia công suất hình Tnhư sau:
Xét một bộ chia công suất hình T có công suất tại lối vào là P0, trở kháng vào Z0; các lối ra có công suất là P1, P2và trởkháng Z1, Z2. Cấu trúc cơ bản và mạch tương đươngđược mô tả tại Hình 2.8.
Lối ra 1 Lối ra 2
Hình 2. 8. Bộchia công suất hình Tvà mạch điện tương đương Dẫn nạp Yin được tính như sau [75]:
𝑌𝑖𝑛 = 𝑍1
0 = 𝑍1
1 +𝑍1
2 + 𝑗𝐵 (2. 10)
Giả thiết suy hao là rất nhỏ, jB có thể bỏ qua [75]. Khi đó, ta có:
1 𝑍0 = 𝑍1
1+𝑍1
2 (2. 11)
Giả thiết P1, P2 thỏa mãn tỉ lệ P1 = 𝛼P2 với 0 < 𝛼 thì:
𝑃1 = 2𝑍𝑉2 1 = 𝛼𝑃2 = 𝛼2𝑍𝑉2 2 (2. 12) 1 𝑍1 = 𝛼𝑍1 2. (2. 13)
Từ phương trình (2.11) và (2.13), tính được trởkháng Z1và Z2như sau:
𝑧1 = (1 + 𝛼1)𝑧0 (2. 14)
𝑧2 = (1 + 𝛼)𝑧0 (2. 15)
Từ (2.14) và (2.15) cho thấy với tỉ lệ chia công suất biết trước, luôn tính toán được các trởkháng đầu ra theo trở kháng đầu vào của mạng tiếp điện.
Giả thiết rằng trở kháng các lối ra của bộ chia được chuẩn hóa bằng trởkháng lối vào là Z0 như được mô tả trên Hình 2.9.
P1, Z1 P2, Z2
Hình 2. 9. Bộchia công suất hình Tcó trởkháng lối ra chuẩn hóa
Để chuyển các trở kháng ngay tại lối ra của bộ chia công suất là Z1và Z2
về trở kháng Z0, các đường truyền vi dải một phần tư bước sóng có trở kháng là Zt được sử dụng với vai trò là các bộ phối hợp trở kháng. Theo (2.4) các trởkháng Ztđược tính như sau:
𝑍𝑡1 = √𝑍1𝑍0 (2. 16)
𝑍𝑡2 = √𝑍2𝑍0 (2. 17)
Từ (2.14 đến 2.17) tính được giá trị trởkháng Zt theo trởkháng vào Z0và tỉ lệ phân chia công suất ɑ như sau:
𝑍𝑡1 = 𝑍0√(1 + 𝛼1) (2. 18)
𝑍𝑡2 = 𝑍0√(1 + 𝛼) (2. 19)
2.2. Đề xuất giải pháp thiết kế mạng tiếp điện 2.2.1. Tổng quan về cấu trúc đề xuất