Trạng thái SP đượ c n i ố D1 D2 D3 D
3.3.2. Thiết k ante nế
3.3.2.1. C u trúc anten ấ
C u trúc anten tái cấ ấu hình đềxuất như ở Hình 3.20. Anten được thi t k trên mế ế ột đế điện mơi FR4 cĩ h ng s ằ ố điện mơi hi u d ng là 4,4, h s t n hao 0,02 ệ ụ ệ ố ổ và độ dày 1,6 mm v i ớ kích thướ ổc t ng c a anten là ủ 3. M t sau c a anten là m t phặ ủ ặ ẳng đấ ớt v i kích thước là g g = 20 x 30 mm2.
Hình 3.20. C u trúc anten ấ đơn cực tái c u hìnhấ Điện c m ả Diode PIN Thanh chêm 2 Thanh 1 Thanh chêm 1 Thanh 2
(a) Mặt trước (b) M t sau ặ (c) Chú thích kích thước Phần b c x ứ ạ Phần d n sĩng ẫ Đất Đế điện mơi (d) M t c nh ặ ạ Điểm tiếp điện
65 M t trên anten cĩ c u t o g m hai ph n, ph n b c x và ph n d n sĩng (ph n tiặ ấ ạ ồ ầ ầ ứ ạ ầ ẫ ầ ếp điện). Ph n d n sĩng bao g m m t thanh d n sĩng chính n i v i cầ ẫ ồ ộ ẫ ố ớ ổng đấu n i SMA và hai ố thanh chêm 1 và 2 n i v i thanh d n sĩng chính qua - t D1 và D3. Ph n b c x g m thanh ố ớ ẫ đi ố ầ ứ ạ ồ d c kéo dài t thanh d n sĩng chính (thanh 1) n i v i thanh ngang (thanh 2) b i m t chuyọ ừ ẫ ố ớ ở ộ ển m ch - t PIN D2 t o thành hình ch T. Các - t ạ đi ố ạ ữ đi ố này được cấp điện m t chiộ ều để chuyển m ch giúp các thanh chêm n i ho c ng t v i thanh d n sĩng chính và giúp thanh b c x 1 nạ ố ặ ắ ớ ẫ ứ ạ ối ho c ng t v i thanh b c x ặ ắ ớ ứ ạ 2. Để tránh ảnh hưởng c a dây củ ấp điện n i t ngu n m t chi u ố ừ ồ ộ ề t i hoớ ạt động c a anten, - t ủ đi ố được n i v i ngu n m t chiố ớ ồ ộ ều thơng qua các điện cảm. Các -đi ốt được s d ng trong thi t k này là - t SMP1345 PIN cĩ d i t n phù h p vử ụ ế ế đi ố ả ầ ợ ới băng tần hoạt động của anten và cĩ đặc tính, sơ đồ tương đương cũng như mơ hình điều khiển được mơ ph ng b ng ph n mỏ ằ ầ ềm CST được trình bày chi tiết trong chương 1 của lu n án. Chi ti t kích ậ ế thước của anten được th hi n trong B ng 3.8. ể ệ ả
B ng 3.8ả . Kích thước chi ti t c a anten tái c u hình (mm) ế ủ ấ
Ws Ls Lg x1 x2 d w 30 40 20 4,5 8,5 9 ws1 ls1 ws2 ls2 we2 le2 3,2 1 11,8 1 16,7 2 18 3.3.2.2 Nguyên lý hoạt động
Các c u hình cấ ủa anten đạt được bằng cách thay đổi tr ng thái c a các ạ ủ đi ố- t PIN. Anten hoạt động b n c u hình g i là S1, S2, S3, S4 khi các tr ng thái - t ở ố ấ ọ ạ đi ố D1, D2, D3 thay đổi như trong ảB ng 3.9.
B ng 3.9. Các tr ng thái c a - t PIN các tr ng thái ả ạ ủ đi ố ở ạ
Trạng thái D1 D2 D3 T n s trung tâm (GHz)ầ ố
S1 NGẮT NGẮT NGẮT 5,1
S2 B T Ậ NGẮT NGẮT 5,6
S3 NGẮT B T Ậ NGẮT 2,4
66 Ở ạ tr ng thái S1, t t c các - t u ngấ ả đi ố đề ắt. Khi đĩ, phần d n sĩng và b c x c a anten ẫ ứ ạ ủ chỉ g m thanh 1. Cồ ấu trúc tương đương của anten ở trạng thái này như ở Hình 3.21(a). Ở ạ tr ng thái S2, - t D1 b t trong khi các - t cịn l i ng t. Ph n d n sĩng cđi ố ậ đi ố ạ ắ ầ ẫ ủa anten được thay đổi do thanh chêm 1 n i v i thanh 1 và phố ớ ần bức x ạchỉ bao g m thanh 1. Cồ ấu trúc tương đương c a anten củ ở ấu hình S2 như Hình 3.21 (b). tr ng thái S3, ch - t D2 b t, các -Ở ạ ỉ đi ố ậ đi ốt cịn l i ạ ở ạ tr ng thái ngắt, thanh 1 được n i v i thanh 2 thơng qua - t ố ớ đi ố D2 và khi đĩ, anten cĩ phần b c x ứ ạgiống hình ch T. Ph n tiữ ầ ếp điện ch bao g m thanh 1, các thanh chêm h m ch cĩ tác ỉ ồ ở ạ d ng trong viụ ệc điều ch nh ph i h p tr kháng. Cỉ ố ợ ở ấu trúc tương đương của anten c u hình ở ấ S3 được bi u di n Hình 3.21 (c). C u hình cu i cùng, - t D1 tr ng thái ng t trong khi ể ễ ở ấ ố đi ố ở ạ ắ đi ố- t D2 và D3 b t, ph n t b c x cĩ hình ch T gi ng c u hình S3, tuy nhiên m ng ph i h p ậ ầ ử ứ ạ ữ ố ấ ạ ố ợ trở kháng được điều ch nh dỉ ẫn đế ần t n s cố ộng hưởng thay đổi do thanh chêm 2 được n i v i ố ớ thanh 1 thơng qua - t D2. Cđi ố ấu trúc tương đương của anten cở ấu hình này được bi u di n ể ễ ở Hình 3.21 (d).
Hình 3.21. Cấu trúc tương đương của anten các c u hình khác nhau: ở ấ (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4
67 3.3.2.3. Tính tốn kích thước anten
Bước 1, m t anten ộ đơn cực cộng hưởng ở t n s c nh cầ ố ố đị ấp điện ki u vi dể ải được thiết k . C u trúc này chính là c u trúc cế ấ ấ ở ấu hình S1 như Hình 3.1 (a).
M ch vi dạ ải được tính tốn theo lý thuyết đường truy n vi d i v i tr ề ả ớ ở kháng đường truyền được ch n là 50 phù h p vọ ợ ới đấu n i SMA. Tr ố ở kháng đường truyền 0được tính như sau:
(3.2)
trong đĩ, là độ ộ r ng của đường truyền vi d i, ả là độ dày của đế điện mơi và là hằng số điện mơi hiệu dụng được tính theo cơng thức sau:
(3.3) với là hằng số điện mơi của vật liệu.
Như vậy, từ các cơng thức trên, kích thước của đường truyền vi dải được xác định theo
(3.4)
trong đĩ,
(3.5)
68 Theo lý thuyết, độ ộ r ng của đường truy n vi dề ải được tính t cơng th c trên là ừ ứ
.
Tiếp theo, kích thước ph n t bầ ử ức x , mà c ạ ụthể là thanh 1 của anten được tính tốn để anten cộng hưởng t n s 5,1 GHz. Ph n t b c x cĩ chi u dài x p x m t ph n ở ầ ố ầ ử ứ ạ ề ấ ỉ ộ ầ tư bước sĩng theo cơng th c sau: ứ
(3.7) Anten ban đầu thi t k ế ế ở ầ t n s c ố ố định 5,1 GHz cho cấu hình S1. Như vậ ởy, c u hình ấ này các tham s gố ồm độ dài c a ph n t b c x d củ ầ ử ứ ạ ở ấu hình S1 được tính tốn là 8,1mm, kích thước của đế điện mơi ( S S) và kích thước của đất ( g) được xác định để anten ph i h p ố ợ trở kháng tốt ở ầ t n s này. ố
Bước 2, anten được thi t k hoế ế ạt động ở ấ c u hình S2 cho t n s cầ ố ộng hưởng trung tâm là 5,8 GHz. Thanhchêm 1 được n i v i thanh 1 cĩ tác d ng ph i h p trố ớ ụ ố ợ ởkháng để anten c ng ộ hưởng t n s này. tái c u hình cho ph n tiở ầ ố Để ấ ầ ếp điện thì cần xác định được v trí n i thanh ị ố chêm 1 và kích thước của thanh chêm để ở kháng sau khi điề tr u ch nh là 50 t n s 5,8 ỉ ở ầ ố GHz. Để anten cộng hưởng t t t n s 5,8 GHz thì tr kháng t i v trí n i thanh chêm nhìn ố ở ầ ố ở ạ ị ố v ph n b c x ph i là 50 ề ầ ứ ạ ả , tương đương với tr kháng cở ủa đường truy n c a anten. G i tr ề ủ ọ ở kháng c a anten tủ ại là , tr kháng c a thanh chêm ở ủ S nđể ối vào đường truy n v trí ề ở ị
tính t ừ điểm cu i cố ủa đường truy n là ề S ph i th a mãn cơng thả ỏ ức (3.8):
(3.8) V i thi t k ớ ế ế anten được trình bày trong m c 3.4.1.1, thanh chêm là mụ ột đường truyền h mở ạch, do đĩ Schỉ cĩ thành ph n o là ầ ả S. T cơng th c (3.8) kháng c a anten từ ứ trở ủ ại được tính theo (3.9):
(3.9)
Gọi 1 d , 2 d là h s ph n x ệ ố ả ạ điện áp c a anten lủ ần lượ ạt t i v trí ị 1và điểm tiếp điện trước khi n i thanh chêm. ố 1 d , 2 d được tính như sau:
69
(3.11)
trong đĩ, inlà tr kháng vào c a anten t i v trí tiở ủ ạ ị ếp điện trước khi n i thanh chêm. ố
M t khác, theo lý thuyặ ết đường truy n thì m i quan h ề ố ệgiữa x1 feedtheo cơng thức (3.12): (3.12) trong đĩ, là h s pha, ệ ố là bước sĩng hi u d ng t i t n s c n thi t k , ệ ụ ạ ầ ố ầ ế ế g là chi u dài m t phề ặ ẳng đất được chú thích trên Hình 3.20. Khi đĩ, được xác định theo (3.13):
(3.13) T các cơng thừ ức (3.9), (3.10), (3.11) thay vào cơng thức (3.13), và 1được xác định như sau:
(3.14)
(3.15)
trong đĩ, là m t s nguyên ngộ ố ẫu nhiên được ch n theo tiêu chí nh nh t. Cuọ ỏ ấ ối cùng, độ dài của thanh chêm được tính theo cơng thức 16(3. ) [82] sau khi l a chự ọn độ ộ r ng c a thanh ủ chêm là s1:
(3.16)
trong đĩ, là tr ở kháng đường truy n cề ủa thanh chêm cĩ độ ộ r ng được tính theo cơng thức (3.2). Sau khi đạ đượt c các k t qu mơ ph ng ế ả ỏ ởtrạng thái S1, tr kháng vào c a anten ở ủ trước khi n i thanh chêm ố được bi u di n trên Hình 3.22. Giá tr ể ễ ịtrở kháng được xác định b ng ằ
ph n m m là ầ ề . Áp dụng quá trình tính tốn như trình bày
ở bước 2, v trí cị ủa thanh chêm được xác định v i các giá tr cớ ị ủa , lần lượt là 4,0 mm và 12,0 mm, trong đĩ độ lớn của thanh chêm được chọn .
Bước 3, các tham s c a anten quyố ủ ết định đến t n s cầ ố ộng hưởng cho tr ng thái S3 ạ được tính tốn. Cấu hình S3 cĩ sơ đồtương đương như ở Hình 3.21 (c). Các tham s cố ủa anten được thi t kế ếđể hoạt động t n s trung tâm ở ầ ố d= 2,4 GHz. Kỹ thu t tái c u hình áp d ng cho ậ ấ ụ
70 cấu hình này là tăng chiều dài điện c a ph n t b c x ủ ầ ử ứ ạ để làm gi m t n s ả ầ ốhoạt động c a anten. ủ C ụthể, ph n tiầ ếp điện cho anten giống như ở c u hình S1, tuy nhiên ph n t b c x c u hình ấ ầ ử ứ ạ ở ấ này s g m thanh b c x 1 n i v i thanh b c x 2 thơng qua - t ẽ ồ ứ ạ ố ớ ứ ạ đi ố được bật là D2. Để tính tốn dài độ e2 c a thanh, áp d ng cơng thủ ụ ức (3.7) như ở bước 2, tổng độ dài điện c a ph n t ủ ầ ử b c x ph i x p x v i m t phứ ạ ả ấ ỉ ớ ộ ần tư bước sĩng t n s ở ầ ố d= 2,4 GHz. C ụthể:
(3.17) T cơng thừ ức (3.17), độ dài c a thanh b c x ủ ứ ạ 2 được n i vào là ố e2 .
Hình 3.22. Tr kháng vào c a anten ng thái S1 ở ủ ở trạ
Bước 4, anten cĩ cấu trúc tương đương như ở Hình 3.21 (d) hođể ạt động c u hình ở ấ S4. C u trúc ph n b c x c a anten giấ ầ ứ ạ ủ ống như ở ấu hình S2 nhưng cấ c u trúc ph n tiầ ếp điện anten lại được điều ch nh b ng cách n i thanh chêm 2 vào thanh dỉ ằ ố ẫn sĩng 1 để điều ch nh ỉ m ng ph i h p tr ạ ố ợ ở kháng. Anten được thi t k c ng h ng t n s trung tâm ế ế để ộ ưở ở ầ ố d = 3,3 GHz. Việc tính tốn kích thước và v ị trí để ắc thanh chêm 2 tương tự m tính tốn cho thanh chêm 1 như ở bước 2. Tr ở kháng đầu vào c a anten ủ ởtrạng thái chưa mắc thanh chêm 2 cũng được xác định t ph n m m mơ ph ng c u hình S3. Theo Hình 3.23 thì tr kháng vào c a ừ ầ ề ỏ ở ấ ở ủ anten c u hình S3 tở ấ ại điểm 2 ( d= 3,3 GHz) là in( d= 3,3 GHz) = 34,3 + ,8j ( ). Các 61 Ω tham s c thanh chêm 2 ố ủa được xác định với các giá trị ủ c a , lần lượt là 8,6 mm và 16,2 mm, trong đĩ độ lớn của thanh chêm được chọn .