Người ta nhận thấy rằng: một vài hình dạng thành phần bức xạ (patch) có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng khác. Do đó băng thông của chúng sẽ cao hơn. Các hình dạng thành phần bức xạ này bao gồm: vành khuyên (annular ring), vành hình chữ nhật/hình vuông (rectangular/square ring), patch phần tư bước sóng (được ngắn mạch) và một số hình dạng khác. Anten có patch vành khuyên tròn với b = 2a khi hoạt động
ở mode TM12 cho băng thông gấp 5 lần anten patch hình chữ nhật với L = 1.5W.
Tương tự, anten có patch vành hình chữ nhật/hình vuông với chu vi trung bình 1 λg có thể được sử dụng.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Băng thông của anten có patch phần tư sóng ngắn mạch hay vành khuyên được so sánh với anten có patch hình tròn hay hình chữ nhật trong bảng 2.1. Chúng ta có thể nhận thấy từ bảng này rằng: băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng khi độ rộng của patch tăng.
Bảng 2.1. So sánh băng thông tại VSWR = 2
Hình dạng patch Kích thước patch Băng thông (%)
Hình chữ nhật hẹp L=4.924 cm, W=2.0 cm 0.7 Hình chữ nhật rộng L=4.79 cm, W=7.2 cm 1.6 Hình vuông L=W=4.82 cm 1.3 Hình tròn Bán kính a=2.78 cm 1.3 Hình vành khuyên b=8.9 cm, a=4.45 cm 3.8 Hình chữ nhật ¼ bước sóng L=2.462 cm, W=2.0 cm 1.05 εr = 2.32, h = 1.59 mm, f = 2 GHz 2.2.4. Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp
Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác nhau như: tiếp điện bằng “đầu dò” (probe feeding), tiếp điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch với một đường truyền vi dải (proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện vi dải (aperture coupling to a microstrip feed line). Trong đó phương pháp ghép khe (aperture coupling) được sử dụng cho các anten băng rộng trên các chất nền dày. Điều này là do thực tế rằng: kỹ thuật tiếp điện này cho phép một lượng lớn tham số có thể điều chỉnh như độ dài khe, độ rộng khe và hình dạng khe, …. Phương pháp ghép khe khi được điều chỉnh một cách kỹ lưỡng có thể làm tăng băng thông một cách đáng kể. Băng thông khoảng 70% có thể đạt được khi sử dụng kỹ thuật tiếp điện này.
Anten vi dải ghép khe
Anten vi dải ghép khe được thể hiện trong hình 2.5. Nó bao gồm một patch hình chữ nhật có kích thước a x b được in trên chất nền có độ dày h và hằng số điện môi εra. Patch vi dải được tiếp điện bởi đường vi dải thông qua một khe hở hoặc một rãnh rạch trên mặt phẳng đất chung của patch và đường tiếp điện vi dải như trong hình 2.5. Khe có các kích thước là La x Wa và tâm khe tại điểm (x0, y0). Độ rộng của đường vi dải là W và được in trên một chất nền có độ dày t và hằng số điện môi εrf. Trở kháng
đặc trưng của đường vi dải được kí hiệu là Z0m và trở kháng đặc trưng của khe được kí
hiệu bởi Z0s. Việc ghép khe với giữa patch và đường vi dải xảy ra bởi vì khe “phá vỡ sự liên tục” của dòng điện chạy theo dọc theo patch. Phân tích anten vi dải ghép khe cho thấy: hầu hết các đặc tính đều tương tự với anten khe tiếp điện bằng đường vi dải. Kỹ thuật tiếp điện ghép khe được giới thiệu bởi Pozar và nó có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật tiếp điện khác. Các ưu điểm đó là: bảo vệ được anten khỏi sự bức xạ “giả” từ phần tiếp điện (spurious feed radiation), sử dụng chất nền cho cả cấu trúc tiếp điện và anten, sử dụng chất nền dày để tăng băng thông của anten.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Hình 2.5. Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe [7]
2.2.5. Kỹ thuật kích thích đa mode
Sử dụng nhiều mode cộng hưởng là phương pháp rất hiệu quả trong thiết kế các anen vi dải băng rộng. Ý tưởng cơ bản của phương pháp này xuất phát từ các bộ cộng hưởng (resonator) được ghép, trong đó thì 2 bộ cộng hưởng hoặc nhiều hơn được ghép với nhau để bao phủ toàn dải tần mong muốn. Phương pháp này được áp dụng cho nhiều hình dạng patch khác nhau. Có nhiều phương pháp để thiết kế theo khái niệm này với mục tiêu tăng băng thông trở kháng (impedance bandwidth). Ta khảo sát một phương pháp, trong đó dùng 2 thành phần cộng hưởng hoặc nhiều hơn (tần số cộng hưởng của mỗi thành phần khác nhau đôi chút), mỗi thành phần cộng hưởng này được ghép “sát” với thành phần cộng hưởng khác. Việc ghép “sát” được điều khiển để tăng băng thông. Các phương pháp thông thường nhất để mở rộng băng thông sử dụng phương pháp ghép kí sinh (parasitic coupling) được mô tả ngay sau đây.
2.2.5.1. Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xếp chồng
Anten vi dải với 2 patch được xếp chồng điển hình được thể hiện trong hình 2.6. Ảnh hưởng của việc xếp chồng các patch được nghiên cứu đầu tiên vào năm 1978 ngay khi các nghiên cứu về anten vi dải bắt đầu. Patch bên dưới có thể được tiếp điện bằng một connector đồng trục hoặc bởi một đường vi dải. Patch bên trên được ghép “sát” với patch bên dưới. Kích thước của patch phía trên hơi khác kích thước của patch bên dưới để thu được tần số cộng hưởng hơi khác một chút.
Ta có thể thay đổi một số tham số, ví dụ: độ dày d1 và d2 của các chất nền; hằng số điện môi εr1 và εr2; độ lệch giữa tâm của các patch; kích thước của các patch và vị trí tiếp điện. Đối với các anten có 2 dải tần, kích thước của 2 patch được quyết định bởi 2 tần số cộng hưởng mong muốn. Đối với anten băng rộng, các tham số khác được tối ưu hóa để đạt được băng thông lớn nhất có thể. Một sự dịch chuyển nhỏ các patch theo các hướng x và y cũng có ảnh hưởng đáng kể đến băng thông trở kháng và giản đồ bức xạ.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Hình 2.6. Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe [7]
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc xếp lệch các patch có tác dụng mở rộng băng thông, tính không đối xứng của cấu trúc làm tăng bức xạ xiên (beam squint) trong mặt phẳng E. Băng thông trở kháng từ 10% tới 29% đạt được với các patch xếp chồng tiếp
điện bằng đầu nối (probe-fed), và băng thông trở kháng từ 18% tới 67% đạt được với
các patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe. Băng thông lớn hơn có thể đạt được khi sử dụng chất nền dày hơn.
Anten với patch xếp chồng có một số đặc điểm hấp dẫn như sau:
¾ Việc xếp chồng các patch không làm tăng diện tích bề mặt của anten, so với phương pháp sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng, các patch xếp chồng được sử dụng trong anten mảng mà không cần tăng khoảng cách giữa các patch và giải quyết được vấn đề búp sóng phụ.
¾ Giản đồ bức xạ và tâm pha của anten patch xếp chồng duy trì tính đối xứng trên toàn dải tần hoạt động của nó.
2.2.5.2. Mở rộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng
Một phương pháp khác cũng cho đặc tính băng rộng là ghép gần các patch đồng phẳng có tần số cộng hưởng khác nhau chút ít. Một vài hình dạng được thể hiện trong hình 2.7 và 2.8. Chỉ có patch ở giữa (patch điều khiển) được tiếp điện và các patch khác hoặc là được ghép khe hoặc là được ghép trực tiếp với patch điều khiển.
Trong hình 2.7(a): 2 dipole ghép với một patch bức xạ được đưa ra vào năm 1979. Khi 2 patch được ghép khe với patch điều khiển dọc theo các cạnh bức xạ của patch điều khiển (xem hình 2.7(b)), băng thông lớn nhất có thể tăng tới 5.1 lần so với băng thông của anten chỉ có 1 patch hình chữ nhật. Kiểu ghép kí sinh dọc theo các cạnh không bức xạ (hình 2.7(c)) cho băng thông lớn hơn gấp 4 lần. Một cấu hình tương tự bao gồm các patch ¼ bước sóng được ngắn mạch (xuống mặt phẳng đất) ghép với một patch ½ bước sóng dọc theo các cạnh bức xạ (hình 2.7(d)) cho băng thông lớn gấp 5.35 lần. Một ví dụ khác, 2 patch ngắn mạch dài λ/4 được ghép với nhau dọc theo cạnh bức xạ (xem hình 2.7(e)). Cấu hình 4 patch được ghép khe tại 4 cạnh của một patch điều khiển thể hiện trong hình 2.7(f). Nó cho băng thông tới 6.7 lần băng thông của anten chỉ có một patch đơn.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Hình 2.7. Một vài anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng [7] (a). Một patch điều khiển được ghép khe với 2 dipole dọc theo các cạnh bức xạ
(b). Một patch điều khiển được ghép khe với 2 patch dọc theo các cạnh bức xạ
(c). Một patch điều khiển được ghép khe với 2 patch dọc theo các cạnh không bức xạ
(d). 1 patch điều khiển ghép khe với 2 patch ¼ bước sóng dọc theo các cạnh bức xạ
(e). Một patch ¼ bước sóng (điều khiển) được ghép khe với một patch ¼ bước sóng (f). Một patch điều khiển được ghép khe với 4 patch dọc theo 4 cạnh của nó
(g). Anten mảng vi dải với một patch điều khiển và các patch kí sinh ghép khe
(h). Mảng 7 dipole ghép khe
(i). Anten nhiều patch ghép khe cộng hưởng tại nhiều tần số
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Khái niệm về các thành phần ghép khe được mở rộng cho các mảng anten ghép khe. Trong các mảng này, một patch điều khiển được ghép khe “sát” (về không gian) với các patch xung quanh, một số khe được ghép xa hơn, tạo ra một mảng phẳng (xem hình 2.7(g)). Khe ghép giữa các patch liền sát nhau thường rất nhỏ, bằng khoảng 0.1 tới 2 lần độ dày chất nền. Anten mảng phẳng có kích thước 1.56 mm x 30 mm x 30 mm tại tần số 8.55 GHz cho băng thông 16%, độ tăng ích 9 dB và các thùy bên chỉ - 26dB.
Một anten mảng gồm 7 dipole được ghép dọc theo các cạnh không bức xạ, nhưng với
độ rộng và khoảng cách khe giữa các dipole được tối ưu hóa để đạt được băng thông
lớn hơn 8 lần (xem hình 2.7(h)).
Một cấu hình khác đó là một số dipole có chiều dài khác nhau được kích thích bởi một khe đặt ở giữa tạo ra cấu hình xếp so le (xem hình 2.7(i) và (j)). Một sự thay đổi nho nhỏ ở cấu hình này là tất cả các dipole hoạt động ở cùng một tần số và được ghép khe với đường tiếp điện vi dải. Băng thông của cấu hình với 3 dipole đối xứng là khoảng 23% đối với anten có điện môi dày 0.083λ0. Băng thông này bằng khoảng 1.5 lần băng thông của anten patch hình vuông tương ứng. Cuối cùng, khái niệm patch cộng hưởng
được xếp so le có thể được mở rộng cho mảng loga chu kỳ được thể hiện trong hình
2.8(a).
Anten với patch cộng hưởng được ghép trực tiếp cũng đã được nghiên cứu. Các anten
này được thể hiện trong hình 2.8(b – d). Trong các trường hợp này, các patch phía
ngoài là các patch kí sinh vào patch được tiếp điện, nhưng các patch kí sinh được ghép trực tiếp tới patch được tiếp điện. Băng thông cho các anten 2.8(b), (c), (d) tương tự như các anten ghép khe ở hình 2.7(b), (c) và (f).
Anten ghép kí sinh đồng phẳng với patch hình tròn cũng đã được nghiên cứu. Nó bao gồm một đĩa vi dải được ghép khe với một vành khuyên ngắn mạch trên cùng bề mặt. Anten này được thể hiện trong hình 2.8(e). Anten này cũng có thể được xem như một hốc hình trụ (cylindrical cavity) ghép với một khe vành khuyên (annular slot). Các tần số cộng hưởng của đĩa vi dải và cavity gần bằng nhau. Anten này tạo ra một giản đồ bức xạ đối xứng tròn với độ rộng chùm 10dB là khoảng 1600, và nó thích hợp để chiếu xạ (illuminate) cho một bộ phản xạ với F/D = 3. Phân cực ngang cực đại (maximum cross-polarization) với độ rộng chùm 10dB được đo là -21dB trên toàn dải 5GHz tới 5.44GHz. Ta có thể đạt được băng thông trở kháng 10% bằng cách điều chỉnh kích thước khe ghép.
Tất cả các anten vi dải với các bộ cộng hưởng kí sinh đồng phẳng có một nhược điểm là diện tích bề mặt tăng lên. Hơn nữa, giản đồ bức xạ và tâm pha biến đổi rõ rệt theo tần số, đặc biệt đối với các thiết kế băng thông rộng hơn.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Hình 2.8. Anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng [7] (a). Cấu hình của một mảng vi dải loga chu kỳ ghép khe băng rộng
(b). Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 2 patch dọc theo các cạnh bức xạ
(c). Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 2 patch dọc theo các cạnh không bức xạ
(d). Patch điều khiển được ghép trực tiếp với 4 patch dọc theo 4 cạnh của nó (e). Anten với đĩa vi dải được ghép khe với một vành khuyên ngắn mạch
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
2.2.5.3. Các kỹ thuật kích thích đa mode khác
Các phương pháp trong phần này đều sử dụng 2 mode độc lập được kích thích vào cùng một patch hoặc vào patch và mạng tiếp điện. Một patch gần vuông được sử dụng để thu được băng thông gần 3 lần bằng cách kích thích 2 mode với phân cực trực giao. Trong trường hợp này, để kích thích cả hai mode, đường tiếp điện được đặt dọc theo đường chéo (xem hình 2.9(a)). Đồ thị trở kháng vào cho anten này được vẽ trong hình 2.9(b) với L = 13.6 cm, W/L = 0.99, ρ0/L = 0.16 và h/λ0 = 0.0037.
Hình 2.9. Anten vi dải băng rộng sử dụng 2 mode phân cực trực giao [7]
(a). Patch gần vuông (b). Đồ thị trở kháng vào
Patch hình chữ nhật với một khe U được cắt trên nó (xem hình 2.10) cũng là anten băng rộng. Patch và khe U được thiết kế để cho tần số cộng hưởng gần nhau. Tần số cộng hưởng và hệ số Q tại điểm cộng hưởng có thể được điều khiển độc lập bằng cách điều chỉnh chiều dài và rộng của chúng (patch và khe U).
Hình 2.10. Patch được rạch khe U tạo ra 2 tần số cộng hưởng và tăng băng thông [7]
Patch hình chữ nhật với một khe H được cắt trên nó ở hình 2.11.
2.2.6. Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác
Trong các phần trước, chúng ta đã thay đổi các tham số của chất nền để làm tăng băng thông trở kháng. Các patch cộng hưởng được đặt so le trong cấu hình patch xếp chồng và cấu hình ghép khe đã được mô tả trong phần trước. Việc sử dụng nhiều hơn một mode kích thích vào cùng một patch cũng được mô tả. Trong phần này, chúng ta thảo luận thêm một vài phương pháp để tăng băng thông trở kháng.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
Hình 2.11. Một anten dipole cuộn tròn kép với băng thông rộng [7]
2.2.6.1. Phối hợp trở kháng
Một trong các kỹ thuật trực tiếp và thông thường nhất được sử dụng để cải thiện băng thông trở kháng là sử dụng một mạng phối hợp trở kháng. Ta có thể dùng các nhánh và các đoạn vi dải ¼ bước sóng có thể được sử dụng cho mục đích này. Mạng phối hợp trở kháng nên được đặt gần thành phần bức xạ nhất có thể. Tuy nhiên, các chỗ không liên tục trong mạng phối hợp trở kháng cũng có thể bức xạ, điều đó làm giảm sút đặc tính phân cực ngang (cross-polarization) của anten. Sự phức tạp và các mất mát của mạng phối hợp trở kháng nói chung hạn chế băng thông có thể đạt được chỉ khoảng từ 10% tới 30%. Pues và Van de Capelle đã đạt được băng thông khoảng 10% tới 12% sử dụng một mạng phối hợp trở kháng đồng phẳng thụ động. Các kỹ thuật tương tự được sử dụng bởi Paschen đưa ra băng thông lớn hơn 25%, băng thông đó đủ để bao phủ cả dải GPS chỉ với một thành phần bức xạ đơn.
Một phương pháp khéo léo khác đó là một thành phần chuyển tiếp hình nón 3D (3D transition) được sử dụng để tăng băng thông trở kháng tới khoảng 90%. Hình dạng của anten này được thể hiện trong hình 2.12.
Anten và thành phần chuyển tiếp không được in trên bất kỳ một vật liệu điện môi nào.