Trong nhiều ứng dụng, chúng ta yêu cầu anten phải có khả năng làm việc ở một số tần số khác nhau. Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy, anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần, …. Dải tần số mà trong giới hạn ấy, anten làm việc thoả mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu gọi là dải tần công tác của anten. Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể.
Căn cứ theo dải tần công tác, có thể phân loại anten thành 4 nhóm: ¾ Anten dải tần hẹp: 10% 0 < ∆ f f
¾ Anten dải tần tương đối rộng: 10% 50% 0 < ∆ < f f ¾ Anten dải tần rộng: 1 4 1 5 . 1 min max < < f f
¾ Anten dải tần siêu rộng:
1 4 min max > f f
Tỉ số của tần số cực đại và tần số cực tiểu của dải tần công tác fmax/fmin gọi là hệ số bao trùm dải sóng.
2.2. Mở rộng băng thông của anten vi dải 2.2.1. Giới thiệu
Anten vi dải có nhiều đặc tính rất hữu ích, nhưng một trong các hạn chế đáng kể của các anten loại này là đặc tính băng hẹp của chúng. Băng thông tính theo trở kháng (impedance bandwidth) của anten vi dải điển hình thường trong khoảng nhỏ hơn 1% tới vài % đối với các chất nền mỏng thỏa mãn tiêu chuẩn h/λ0 < 0.023 và có εr ≈10,
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
cho tới h/λ0 < 0.07 và có εr ≈2.3. Điều này hoàn toàn trái ngược với băng thông từ 15% tới 50% của các anten như là dipole, khe và loa. Các nhà nghiên cứu đã đi vào nghiên cứu các anten mạch dải này để cải thiện giới hạn băng hẹp trong gần 20 năm, và đã thành công trong việc cải thiện băng thông tính theo trở kháng tới 90% và băng thông tính theo hệ số tăng ích (gain bandwidth) tới 70%. Hầu hết những sự đổi mới này đều sử dụng nhiều hơn 1 mode, điều đó làm tăng kích thước, chiều cao hoặc thể tích, và đồng thời làm giảm sút một số đặc tính khác của anten. Mong muốn làm tăng băng thông cũng có thể đạt được bằng việc chọn kỹ thuật tiếp điện và mạng phối hợp trở kháng thích hợp.
Chúng ta bắt đầu bằng việc định nghĩa băng thông (bandwidth). Một số đặc tính của anten chẳng hạn như VSWR (hoặc S11), độ rộng chùm (beamwidth), bậc thùy bên (sidelobe level), hệ số tăng ích (gain), phân cực (polarization), …. Các đặc tính này đều biến đổi theo tần số. Do đó, có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về băng thông tương ứng với các đặc tính trên.
Trở kháng vào của anten vi dải biến đổi nhanh hơn theo tần số, do đó việc giới hạn dải tần giúp cho thành phần bức xạ có thể được phối hợp trở kháng với đường tiếp điện. Chúng ta sẽ sử dụng băng thông tính theo trở kháng trong phần còn lại của chương để định nghĩa băng thông của anten. Băng thông tính theo trở kháng của một anten vi dải cộng hưởng có thể được xác định từ đáp ứng tần số của mạch tương đương của nó. Đối với mạch tương đương cộng hưởng song song, băng thông nửa công suất (BW) được cho bởi: 0 0 2 ω ω ω d dB G BW = (2.1)
Trong đó, Y = G + jB là dẫn nạp đầu vào tại tần số cộng hưởngω0. Đối với mạch tương đương cộng hưởng nối tiếp G được thay thế bởi R và B được thay thế bởi X trong (2.1), trong đó Z = R + jX là trở kháng vào tại tần số cộng hưởng. Một vài nhà nghiên cứu định nghĩa băng thông trở kháng (impedance bandwidth) theo khái niệm băng thông với VSWR = 2. Băng thông nửa công suất của (2.1) tương đương với băng thông với VSWR≈2.4 khi anten được tiếp điện bởi đường truyền mạch dải. Sự chuyển
đổi băng thông từ một giá trị VSWR này sang một giá trị VSWR khác có thể được
thực hiện thông qua quan hệ sau:
VSWR Q
VSWR
BW = −1 (2.2)
Trong đó Q là hệ số phẩm chất của anten. Công thức (2.2) chỉ ra rằng, băng thông với VSWR 2 bằng khoảng 78% băng thông nửa công suất. Các yêu cầu đối với băng thông trở kháng không nhất thiết phải phù hợp với các tiêu chuẩn băng thông tính theo
các đặc trưng khác của anten. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng phân cực xiên
(cross-polarization) là thành phần chính hạn chế băng thông của các anten vi dải băng rộng.
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
2.2.2. Ảnh hưởng của các tham số chất nền tới băng thông
Băng thông trở kháng của anten vi dải tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q của anten (xem (2.2)). Do đó, ta có thể thay đổi các tham số của chất nền chẳng hạn như hằng số
điện môi εr và độ dày h để đạt được hệ số Q mong muốn nhằm tăng băng thông trở
kháng. Hệ số Q của anten cộng hưởng được định nghĩa như sau:
Năng lượng được tích trữ (Energy stored)
(2.3)
Q =
Năng lượng mất mát (Power lost)
Hình 2.2 biểu diễn ảnh hưởng của độ dày chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất với 2 giá trị hằng số điện môi là 2.2 và 10. Ta thấy rằng băng thông tăng đơn điệu theo độ dày. Khi hằng số điện môiεr giảm thì băng thông tăng. Điều này có thể được giải thích từ việc thay đổi giá trị Q.
Hình 2.2. Ảnh hưởng của hằng sốđiện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở
kháng (VSWR < 2) và hiệu suất bức xạ [7]
Hình 2.3. Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo hằng
sốđiện môi chất nền. Trong đó h=1.59 mm, W=0.9L, f=3 GHz [7]
Hệ số Q của anten vi dải với patch hình chữ nhật là hàm của εr và h được vẽ trong hình 2.3 và 2.4. Hình 2.3 chỉ ra rằng, hệ số Q hầu như tăng tuyến tính khi tăng εr. Thành phần bức xạ (patch) hình chữ nhật được mô hình hoá như một tụ có mất mát (lossy capacitor), việc tăng hệ số Q là do năng lượng được tích trữ (energy strored) tăng và năng lượng bức xạ giảm khi tăng εr (theo công thức 2.3). Tương tự, khi độ dày chất
Khóa luận tốt nghiệp đại học Ngành: Thông tin vô tuyến
nền tăng lên, năng lượng được tích trữ giảm làm giảm hệ số Q như thấy trong hình 2.4. Về mặt vật lý, điều này xảy ra là do “trường viền” (fringing field) tăng khi tăng h và giảm εr.
Kết luận, tăng h và giảm εr sẽ làm tăng băng thông trở kháng của anten. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể áp dụng khi h < 0.02λ. Có nhiều nhược điểm do sử dụng các chất nền có hằng số điện môi cao và độ dày lớn, bao gồm:
¾ Năng lượng sóng mặt tăng lên, dẫn tới kết quả là hiệu suất bức xạ kém (xem hình 2.2). Bức xạ từ các sóng mặt có thể làm méo giản đồ bức xạ gần đầu cuối đường tiếp điện vi dải.
¾ Các chất nền có độ dày lớn, khi tiếp điện tại cạnh của thành phần bức xạ sẽ làm tăng bức xạ “giả” (spurious radiation) từ đường vi dải tại những chỗ thay đổi về độ rộng (step-in-width) và những chỗ bất liên tục trên đường vi dải. Sự bức xạ từ đầu tiếp điện (probe feed) cũng sẽ tăng.
¾ Các chất nền dày hơn 0.11λ0 và có εr=2.2 có trở kháng tại điểm tiếp điện cho anten tăng, dẫn tới các vấn đề về phối hợp trở kháng.
¾ Các mode bậc cao hơn chạy dọc theo chiều dày chất nền có thể tăng, điều này làm méo các giản đồ bức xạ và thay đổi trở kháng đặc tính. Đây là một tham số hạn chế việc đạt được băng thông lớn hơn.
Hình 2.4. Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày chất nền. Trong đó εr=2.2, W=0.9L, f=3 GHz [7]
2.2.3. Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp
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