2.2. Anten vi dải
2.2.4. Các mơ hình phân tích anten vi dải
Các mơ hình tương đương dùng trong phân tích anten vi d các chu trình thử nghiệm, đánh giá chính xác các ưu và khuy cấp các nguyên lý hoạt động c
trước các đặc tính bức xạ c vào, băng thơng, mạch tương h
Trong các kỹ thuật phân tích anten vi d nhất nhưng độ chính xác khơng
cũng khĩ áp dụng cho các anten cĩ hi nhất, cĩ khả năng phân tích nhi địi hỏi thời gian tính tốn lâu do đĩ mềm thương mại. Mơ hình
ng phương pháp ghép gần
ấp nguồn này gồm 2 lớp điện mơi, miếng b n mơi phía trên, đường tiếp điện ở giữa 2 lớp điện mơi. Phương th
i đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feed line) và cho băng
: Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương
ợc gọi là phương pháp ghép điện từ, về bả a patch và đường cấp nguồn. Thơng số của hai lớp nền cĩ th
n băng thơng và giảm bức xạ rị ở đầu cuối hở của đường truy p điện mơi thứ hai cũng mỏng hơn. Bức xạ trong trư n hơn. Tuy nhiên phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và s
Các mơ hình phân tích anten vi dải
ương đương dùng trong phân tích anten vi dải nhằm mục đích gi m, đánh giá chính xác các ưu và khuyết điểm c
ng của anten vi dải. Các mơ hình này cĩ khả của anten như: mẫu bức xạ, độ lợi, phân cự ch tương hỗ và hiệu xuất của anten…
t phân tích anten vi dải, mơ hình đường truyền vi d
chính xác khơng cao. Mơ hình hốc cộng hưởng chính xác hơn nhưng ng cho các anten cĩ hiệu ứng ghép cặp. Mơ hình tồn sĩng là chính xác năng phân tích nhiều dạng anten vi dải khác nhau nhưng r
i gian tính tốn lâu do đĩ mơ hình này thường được áp dụng trong các ph i. Mơ hình đường truyền vi dải, mơ hình hốc cộng hư
ng bức xạ nằm ở n mơi. Phương thức này cĩ n (feed line) và cho băng
ch tương đương ản chất là ghép n cĩ thể được lựa ng truyền. Cũng trong trường hợp o và sản xuất. c đích giảm bớt m của anten, cung ả năng dự đốn ực, tổng trở ngõ
n vi dải là đơn giản ng chính xác hơn nhưng p. Mơ hình tồn sĩng là chính xác i khác nhau nhưng rất phức tạp. Nĩ ng trong các phần ng hưởng tương đối
đơn giản nhưng cĩ khả năng tính tốn đư chữ nhật.[6]
2.2.4.1.Mơ hình đường truyền sĩng
Anten vi dải hình chữ nhật cĩ hình d đĩ, những anten loại này cĩ th Mơ hình đường truyền sĩng là m tích anten vi dải và nĩ tương đ truyền sĩng rất đơn giản và h dải. Mơ hình này xem anten vi d
cĩ chiều rộng W, chiều cao h và cách nhau m Đơn giản hơn mơ hình đườ
nhau bởi một tổng trở Zc trên m
Hình
Theo hình 2-17, z là hướng lan truy hình đường truyền sĩng, nhữ
đường truyền tổng trở rất cao. Do đĩ, c chủ yếu vào chiều dài L dọc theo tr cộng hưởng phụ thuộc theo chi làm cho chiều dài thực tếcủa b
Hiệu ứng đường biên và h Khi kích thước của anten là h xạ ở cạnh của anten chịu ả hoạ trong hình 2-18, hai khe b đường biên dọc theo chiều dài. Hi
năng tính tốn được các thơng số cơ bản của anten vi d
ờng truyền sĩng
t cĩ hình dạng vật lý bắt nguồn từ đường truy i này cĩ thể được mơ hình như một phần của đường truy
n sĩng là một trong những mơ hình trực quan nh
i và nĩ tương đối chính xác đối với lớp điện mơi mỏng. Mơ hình n và hữu ích trong việc xem xét hoạt động cơ b
i. Mơ hình này xem anten vi dải như một mảng gồm cĩ hai khe bức x u cao h và cách nhau một khoảng L như hình 2-17.
ờng truyền sĩng xem anten vi dải nhưhai khe b Zc trên một đường truyền cĩ chiều dài L.
Hình 2-17: Mơ hình đường truyền sĩng
ng lan truyền sĩng điện từ của đường truyền sĩng. Trong mơ ững khe bức xạ của anten vi dải biểu diễn đầ
t cao. Do đĩ, cấu trúc này cĩ đặc tính cộng hư
c theo trục z. Tuy nhiên, do hiệu ứng đường biên nên t c theo chiều dài L khơng thật sự chính xác. Hiệu ứ
a bản kim loại dài hơn chiều dài vật lý Leff > L. ng biên và hằng số điện mơi hiệu dụng
a anten là hữu hạn dọc theo chiều dài và chiều rộng thì tr ảnh hưởng bởi hiệu ứng đường biên. Điều này đư 18, hai khe bức xạcủa anten vi dải chịu ảnh hưởng c
u dài. Hiệu ứng đường biên là một hàm phụ
a anten vi dải hình
ng truyền vi dải. Do ng truyền sĩng. c quan nhất trong phân ng. Mơ hình đường ng cơ bản của anten vi c xạ hẹp, mỗi khe
17.
i nhưhai khe bức xạ cách
n sĩng. Trong mơ ầu mút ở hai bên ng hưởng phụ thuộc ng biên nên tần số ứng đường biên lý Leff > L.
ng thì trường bức u này được minh ng của hiệu ứng thuộc vào kích
thước của bản kim loại và chi
phẳng xy) thì hiệu ứng đường biên là m chiều cao h của lớp nền (L/h) và h L/h ≪ 1 thì hiệu ứng đường biên gi phải được tính đến vì nĩ ảnh hư biên này được áp dụng tương t
Hình 2-18: Hi
Để hiểu rõ hơn vềhiệu ứng đư những đường sức ở cạnh như h trên truyền trong khơng khí cịn ph các đường sức của điện trư
tồn tại trong khơng khí. Khi W/h >> 1 và r trường chỉ tập trung trong l
này làm cho đường truyền vi d lý thực của nĩ.
i và chiều cao của lớp điện mơi. Đối với mặt phẳng chính E (m ng biên là một hàm phụ thuộc chiều dài L củ
n (L/h) và hằng số điện mơi của lớp nền. Khi anten vi d ng biên giảm. Tuy nhiên, hiệu ứng đường biên này c nh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten. Hi
ng tương tự đối với chiều rộng của anten vi dải.
: Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải
ng đường biên ta xét một đường truyền vi dải như h nh như hình 2-20. Đây là những đường khơng đồ n trong khơng khí cịn phần dưới truyền trong lớp điện mơi. Như v
n trường tập trung ở lớp điện mơi nền, chỉ cĩ m i trong khơng khí. Khi W/h >> 1 và rε >> 1 thì hầu như các đư
p trung trong lớp điện mơi nền. Hiệu ứng đường biên trong trư n vi dải rộng hơn xét về mặt điện trường so với kích thư
Hình 2-19: Đường truyền vi dải
ng chính E (mặt ủa bản kim loại, n. Khi anten vi dải cĩ ng biên này cũng a anten. Hiệu ứng đường
i
i như hình 2-19cĩ ồng nhất vì phần n mơi. Như vậy, hầu hết cĩ một phần cịn lại u như các đường sức điện ng biên trong trường hợp i kích thước vật
Hình 2-20
Khi sĩng điện từ dịch chuyể nằm trong khơng khí. Do đĩ, ngư ε . Lớp điện mơi hiệu d xung quanh đường truyền vi d nền thì giá trị của hằng số đi
Hình 2-21: H
Hằng số điện mơi hiệu dụng c đường sức của điện trường ch như một đường truyền đồng nh lớp nền.
Đường truyền vi dải Đường truyền vi dải cĩ trở lớp điện mơi. Cấu trúc chung c 22.
20: Hiệu ứng đường biên của anten vi dải
ển thì sẽ cĩ một phần nằm trong lớp điện mơi và m m trong khơng khí. Do đĩ, người ta đưa ra khái niệm hằng số điện mơi hi
u dụng được xem như một lớp điện mơi đồng nh
n vi dải như hình 2-21. Đối với lớp khơng khí phía trên l điện mơi hiệu dụng trong khoảng 1 <ε <ε .
: Hằng số điện mơi hiệu dụng của anten vi dải
ng cũng là một hàm của tần số. Khi tần số tăng cao th ng chỉ tập trung ở lớp nền nên đường truyền vi d
ng nhất cĩ hằng số điện mơi hằng bằng hằng s
kháng thay đổi theo bề rộng của bản vật dẫn và đ u trúc chung của các đường truyền vi dải được minh ho
Hình 2-22: Đường truyền vi dải
n mơi và một phần n mơi hiệu dụng ng nhất bao bộc khơng khí phía trên lớp
.
tăng cao thì các n vi dải được xem ng số điện mơi của
n và độ dày của c minh hoạ trong hình 2-
Trường điện từ của đường truyền vi dải được mở rộng trong hai mơi trường, lớp khơng khí ở trên và lớp điện mơi ở dưới nên cấu trúc của đường truyền vi dải là khơng đồng nhất. Do cấu trúc khơng đồng nhất này mà đường truyền vi dải khơng cĩ sĩng điện từ ngang thuần tuý. Một sĩng thuần điện từ ngang chỉ cĩ những thành phần theo hướng ngang và vận tốc lan truyền sĩng của nĩ chỉ phụ thuộc vào những đặc tính của vật liệu, tức là phụ thuộc vào hằng số điện mơi và hằng số từ thẫm. Tuy nhiên, với sự xuất hiện của hai mơi trường truyền sĩng (lớp điện mơi nền và lớp khơng khí) thì sĩng truyền trong đường truyền vi dải sẽ cĩ thành phần điện trường và từ trường theo hướng dọc và vận tốc lan truyền sĩng của nĩ khơng chỉ phụ thuộc vào những đặc tính của vật liệu mà cịn phụ thuộc vào kích thước vật lý của đường truyền vi dải.
Khi các thành phần của điện từ trường theo hướng dọc đối với mode chính của đường truyền vi dải là rất nhỏ so với các thành phần theo hướng ngang thì chúng cĩ thể được bỏ qua. Trong trường hợp này mode chính cĩ thể xem như là mode điện từ ngang và đường truyền vi dải cĩ thểáp dụng lý thuyết đường truyền sĩng theo hướng điện từ ngang. Khái niệm này gọi là sắp sỉtựa điện từngang và nĩ đúng đối với hầu hết tần số hoạt động của đường truyền vi dải.
Trong khái niệm xắp xỉ tựa điện từ ngang, một vật liệu điện mơi đồng nhất với hằng số điện mơi hiệu dụng sẽ được thay thế cho mơi trường điện mơi-khơng khí khơng đồng nhất của đường truyền vi dải. Những đặc tính truyền sĩng của đường truyền vi dải được mơ tảbởi hai thơng số là hằng số điện mơi hiệu dụng ε và tổng trở đặc trưng Z0.
2.2.4.2.Mơ hình hốc cộng hưởng
Trong mơ hình này, vùng bên trong của lớp điện mơi được mơ hình hố như một hộp cộng hưởng bao quanh bởi những bức tường điện (ởmặt trên và mặt dưới) và những bức tường từ (dọc theo chu vi của nĩ). Cơ sở cho giả thiết này là xem lớp điện mơi cĩ chiều dày rất mỏng (h << λ).
Những trường ởvùng bên trong khơng biến đổi nhiều theo trục z (tức là ∂/∂z=0) bởi vì chiều dày của lớp điện mơi rất mỏng.
Điện trường chỉ cĩ hướng z và từ trường chỉcĩ thành phần theo hướng ngang Hxvà Hy trong vùng được bao bộc bởi bản kim loại và mặt phẳng đất.
Dịng điện trong bản kim loại khơng cĩ thành phần vuơng gĩc với cạnh của bản kim loại, tức là thành phần tiếp tuyến với H dọc theo cạnh được bỏ qua nên các bức tường từcĩ thể đặt xung quanh chu vi của nĩ.
Mơ hình xắp xỉ này dẫn đến t lượng. Tuy nhiên, trường đi được dùng để phân tích dạng b
Đặc tính trường và mậ Khi anten vi dải được cấp ngu phía dưới của bề mặt bản kim lo Lực hút điện tử giữa những đi phẳng đất sẽ giữ các điện tích t điện tích cùng dấu từ mặt dư bản kim loại. Sự dịch chuyể của bản kim loại.
Hình 2-23: Phân b
Hầu hết anten vi dải trong th của bản kim loại là rất nhỏ
trung dưới bản kim loại. Do đĩ, nĩ khơng t tuyến với cạnh của bản kim lo
cộng hưởng cĩ bốn bức tườ mặt dưới như hình 2-24.
Hình 2-24: Mơ hình h
n tổng trở ngõ vào phản kháng và nĩ sẽ khơng b ng điện từ thực tế cĩ thể được xắp xỉ đểtạo ra trư
ng bức xạ, dẫn nạp ngõ vào và tần số cộng hư ật độ dịng tương ứng
p nguồn, một phân bố điện tích sẽ xuất hiện n kim loại, cũng như ở phía dưới mặt phẳng đất như h
ng điện tích đối diện nhau ở mặt dưới bản kim lo n tích tập trung dưới bản kim loại. Lực đẩy đi
t dưới bản kim loại, xung quanh các cạnh đế
ển này tạo ra các dịng điện Jb và Jt ở mặt trên và m
: Phân bố điện tích và mật độ dịng trên anten vi d
i trong thực tế cĩ tỉ số chiều cao của lớp điện mơi và chi ỏ. Do lực hút và lực đẩy điện tử nên phần lớ
i. Do đĩ, nĩ khơng tạo ra bất kỳ thành phần từ
n kim loại. Vì vậy, anten vi dải cĩ thể được xem như m ờng từ ở xung quanh và hai bức tường điện
: Mơ hình hộp cộng hưởng của anten vi dải
khơng bức xạ năng o ra trường và cĩ thể ng hưởng n ở phía trên và t như hình 2-23. n kim loại và mặt y điện tử giữa các ến mặt trên của t trên và mặt dưới
dịng trên anten vi dải
n mơi và chiều rộng ớn điện tích tập trường nào tiếp c xem như một hộp n ở mặt trên và
Thơng thường trong phân tích giá một thế vector bổ sung như là m Hàm thế vector phổ biến nh trường phải thoả phương trình tr
Trường bức xạ của anten vi d Anten vi dải cĩ thể biểu di
của lớp điện mơi bị cắt cụt và khơng kéo dài quá các c tường xung quanh (những b
qua đĩ nĩ sẽ bức xạ. Để tính trư
Huygen’s) sẽ được sử dụng. Anten vi d Jt ở mặt trên và mặt dưới c
(cũng cĩ một mật độ dịng Jb mơ hình này). Bốn khe ở m
Js và mật độ dịng từ tương đương Ms n
Hình 2-25: Mơ hình h
Bởi vì anten vi dải cĩ tỷsố h/W r nhỏ hơn rất nhiều so với m được bỏ qua và trường từ ti
xem như lý tưởng bằng 0. Do đĩ m
0). Như vậy chỉ cĩ mật độ dịng khác 0 là m cộng hưởng bức xạ trong sự
được tính đến bằng lý thuyế
ng trong phân tích giá trị biên của trường điện từ người ta thư sung như là một phương tiện trong việc xác định trư
n nhất là A, thế vector từ và F, thế vector điện. Nh ình truyền sĩng và phù hợp với điều kiện biên. a anten vi dải
u diễn bằng mơ hình hốc cộng hưởng khi giả s t và khơng kéo dài quá các cạnh của bản kim lo ng bức tường từ) biểu diễn bốn khe cộng hưở
tính trường bức xạ, nguyên lý trường tương đương (nguyên l ng. Anten vi dải được biểu diễn bằng mật độ dịng
i của bản kim loại để tính đến sự cĩ mặt củ dịng Jb ở mặt dưới của bản kim loại nhưng khơng c
mặt bên được biểu diễn bằng mật độ dịng điệ tương đương Ms như hình 2-25 với:
: Mơ hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải
h/W rất nhỏ nên mật độ dịng Jt ở mặt trên c i mật độ dịng Jb ở mặt dưới của bản kim loạ tiếp tuyến dọc theo các cạnh của bản kim loạ ng 0. Do đĩ mật độ dịng từ tương đương Js sẽ rất nh
dịng khác 0 là mật độ dịng từ Ms dọc chu vi bên c ự cĩ mặt của mặt phẳng đất. Sự cĩ mặt của m ết hình chiếu sẽ cho mật độ dịng từ tương đương g
i ta thường sử dụng nh trường điện và từ. n. Những cấu hình n biên. sử rằng vật liệu n kim loại. Bốn bức ởng hẹp nơi mà ng tương đương (nguyên lý dịng điện tương ủa bản kim loại i nhưng khơng cần thiết trong ện tương đương
t trên của bản kim loại ại nên nĩ cĩ thể ại cũng rất nhỏ, t nhỏ (lý tưởng là c chu vi bên của hốc a mặt phẳng đất tương đương gấp đơi.
Chương 3
THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN