e. Độ định hướng
Độ đính hướng của một anten là tỷ lệ của cường độ bức xạ tại một hướng cho trước với cường độ bức xạ trung bình tại tất cả các hướng của anten đĩ. Cường độ bức xạ trung bình bằng tổng cơng suất được bức xạ của anten chia cho 4π. Nếu khơng xác định được hướng thì hướng của anten chính là hướng cĩ cường độ bức xạ lớn nhất. Cụ thể, độ định hướng được tính tốn bởi cơng thức sau:
D = U U = 4πU P D = D =U U = 4πU P Trong đĩ: D: Độ định hướng D : Độ định hướng cực đại.
U: Cường độ bức xạ (W/đơn vị gĩc khối)
U : Cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị gĩc khối) U : Cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng
P : Tổng cơng suất được bức xạ. f. Hiệu suất anten
Bên cạnh những thơng số trên, chúng ta cịn cĩ thể tính được tổng hiệu suất của anten, hệ số sĩng đứng (VSWR) hoặc hệ số suy hao (RL) của anten.
Tổng hiệu suất của anten được tính bằng cồng thức:
0 r. c. d
e e e e
Trong đĩ e0: tổng hiệu suất
r
e : hiệu suất phản xạ er 1 2
c
e : hiệu suất dẫn
d
e : hiệu suất chất điện mơi
: Hệ số hiệu suất phản xạ đầu vào.
Hiệu suất búp sĩng là hiệu suất của anten thể hiện chất lượng của anten phát và anten thu. Nĩ cịn là tỷ lệ giữa cơng suất phát (hoặc thu) trong một gĩc cố định và tổng cơng suất phát (hoặc thu) của cả anten. Nĩi chung, búp sĩng chính là búp cĩ cơng suất lớn, vì thể hiệu suất của búp cịn được tính bởi tỷ lệ giữa cơng suất của búp chính và tổng cơng suất cĩ được của anten.
Hệ số sĩng đứng điện áp được xác định bởi tỷ số độ lớn giữa điện áp cực đại và cực tiểu trên đường truyền:
max min 1 ( ) ( ) 1 ( ) V V V l VSW R l V V V l
Hệ số suy hao: RL 20 log10
g. Độ lợi
Độ lợi thu và phát của anten là khả năng đưa ra năng lượng điện trường theo một hướng xác định hoặc thu năng lượng từ một hướng xác định. Đối với các hệ thống trực xạ yêu cầu anten phát chỉ phát năng lượng về một hướng duy nhất, là hướng của anten cần thu.
Độ lợi của anten là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ tại một hướng cho trước với cường bộ bức xạ được phát ra từ một anten lý tưởng (vơ hướng), với cùng một cơng suất đưa vào. Độ lợi anten chủ yếu lệ thuộc vào tần số làm việc và đường kính của nĩ.
Độ lợi của anten là một thơng số biểu thị cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng. Vì nĩ khơng chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính của anten mà cịn biểu thị sự tổn hao cơng suất trên anten. Độ lợi của anten cĩ thể được tính bằng cơng thức sau đây:
G = 4π radiation intensity
total input (accepted)power= 4π
U(θ, ∅) P
Bên cạnh đĩ, tổng cơng suất bức xạ (Prad) lại liên hệ với tổng cơng suất đầu vào của anten bởi cơng thức:
P = e P
Trong đĩ: e là hiệu suất bức xạ của anten được định nghĩa ở phần trên. Vì vậy cơng thức tính độ lợi được viết lại như sau:
G(θ, φ) = e 4πU(θ, φ) P G(θ, φ) = e D(θ, φ)
Như vậy, độ lợi và độ định hướng liên hệ với nhau qua hiệu suất bức xạ của anten.
2.2. Anten vi dải
2.2.1. Đặc tính của anten vi dải
Anten vi dải hay cịn được gọi là anten mạch vi dải vì nĩ cĩ kích thước rất nhỏ và được chế tạo trên một bản mạch in. Thực chất anten vi dải là một dạng anten cĩ kết cấu bức xạ kiểu khe.
Mỗi phần tử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch) được đặt trên một lớp điện mơi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiếp điện. Cấu trúc điển hình của một phần tử anten vi dải cĩ dạng hình chữ nhật được cho trong hình 2-8:
Hình 2-8: Cấu trúc c
Các thơng số cấu trúc cơ bả W, bề dày của bản kim loại t, đ h, hằng số điện mơi ε, suy hao ti Bản kim loại rất mỏng, nhỏ
(t <<λ ). Tuy nhiên, độ dày này ph mặt ngồi vì nếu độ dày của b tổn thất thuần trở sẽ làm gi loại thường trong khoảng (λ Chiều dày lớp điện mơi h và h thơng số bức xạ của anten. Đ h < 0.1 λ ), hằng số điện mơi với hằng số điện mơi nhỏ hơn 2.2 s hao do bức xạ đường biên khơng đáng k liệu cĩ hằng số điện mơi nh
những thiết kế thương mại.
Ngồi ra anten vi dải cịn cĩ các hình d giác, hình vành khăn, hình ellip …
u trúc của một phần tửanten vi dải hình chữnh
ản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chi i t, độ dẫn điện của bản kim loại σ, chiều dày l ε, suy hao tiếp tuyến (loss tangent) của lớp điện mơi tan(
ỏ hơn nhiều so với bước sĩng truyền trong khơng gian t dày này phải ít nhất lớn hơn một vài lần so với đ
a bản kim loại nhỏ hơn độ sâu của lớp mặt ngồi thì nh làm giảm hiệu suất bức xạ của anten. Chiều dài L c
λ /3 < L <λ /2).
n mơi h và hằng số điện mơi ε đĩng vai trị quan tr a anten. Độdày h của lớp điện mơi thường trong kho
n mơi εthường trong khoảng (2.2 < ε< 12). Lớ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: d ng biên khơng đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ
n mơi nhỏ hơn 2.2 và lớn hơn 12 thường khơng ph i.
i cịn cĩ các hình dạng khác như: hình vuơng, hình trịn, hình tam ình ellip …được mơ tảtrong hình 2-9:
nhật
u dài L, chiều rộng u dày lớp điện mơi n mơi tan(δ).
n trong khơng gian tự do i độ sâu của lớp t ngồi thì những u dài L của bản kim
ị quan trọng trong các ng trong khoảng (0.002 λ < ớp điện mơi dày a anten: dải tần rộng, suy lớn. Những vật ng khơng phổ biến trong
Hình
2.2.2. Hoạt động của anten vi dải
Anten vi dải được chế tạo b Kích thước và hình dạng củ bức xạ. Để nghiên cứu hoạt đ điển hình như hình 2-10. Nĩ cĩ m hợp trở kháng thu được giữ đường cấp nguồn lệch khỏi đi
Hình
Sĩng cần truyền đi di chuyể dưới. Sau đĩ nĩ tiến sát đến c trở lại và phần cịn lại sẽ bứ anten cho đến khi nĩ tắt dần như h trở lại nguồn, một phần bị tri gian tự do.
Hình 2-9: Một số dạng vi dải thơng dụng
ạt động của anten vi dải
o bằng cách ăn mịn một lớp đồng trên một n
ủa anten phụ thuộc vào tần sốcộng hưởng và các thơng s t động của anten vi dải ta xét một anten vi dả
10. Nĩ cĩ một đường cấp nguồn được điều hợp ở ữa điểm đầu của anten và đường cấp nguồn b i điểm giữa một khoảng.
Hình 2-10: Hoạt động của anten vi dải
ển vào anten qua đường cấp nguồn và lan rộ n cạnh của anten, tại đây một phần năng lư ức xạ ra khơng gian tự do. Sĩng phản xạ dội l n như hình 1.9. Một phần năng lượng cộng hư triệt tiêu trong lớp điện mơi và phần cịn lại b
t nền điện mơi. ng và các thơng số ải hình chữ nhật ở 50Ω. Sự phối n bằng cách đặt ộng xuống phía n năng lượng sẽ phản xạ i lại và tiến vào ng hưởng này quay i bức xạ ra khơng
Tần số của sĩng tại điểm cộ cực đại. Do đĩ, điện trường b
Hình
2.2.3. Các phương pháp c
Cĩ nhiều phương pháp cấp ngu vi dải. Bốn phương pháp ph nguồn bằng probe đồng trục, c phương pháp ghép khe.
a. Cấp nguồn bằng Probe đ Cấp nguồn qua probe là mộ suất cao tần. Với cách tiếp đi ngồi nối với mặt phẳng đấ kế, cĩ khả năng feed tại m
kháng. Tuy nhiên cách này cĩ các như Thứ nhất, vì dùng đầ
hồn tồn phẳng và m Thứ hai, khi cần cấp ngu
tăng lên và như thế vi
Thứ ba, khi cần tăng băng thơng c cũng như chiều dài c
lên
ộng hưởng thì điện trường xung quanh các cạ ng bức xạ sẽ lớn nhất tại tần số cộng hưởng.
Hình 2-11: Sĩng phản xạ của anten vi dải
Các phương pháp cấp nguồn
p nguồn (tiếp điện) hay truyền năng lượng đi n phương pháp phổ biến nhất là: cấp nguồn bằng đường truy
c, cấp nguồn bằng phương pháp ghép gần, c
ng Probe đồng trục
ột trong những phương pháp cơ bản nhất để
p điện này, phần lõi của đầu cáp được nối với patch, cịn ph ất. Ưu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thi i mọi vị trí trên tấm patch do đĩ dễ dàng cho ph
y cĩ các nhược điểm là:
ầu feed nên cĩ phần ăn ra phía ngồi làm cho anten khơng ng và mất đi tính đối xứng.
p nguồn đồng trục cho một dãy sẽ địi hỏi số việc chế tạo sẽ khĩ khăn và độ tin cậy giảm đi. n tăng băng thơng của anten thì địi hỏi phải tăng b u dài của probe. Kết quả là bức xạ rị và điện cảm c
ạnh cĩ biên độ
ng điện từ cho anten truyền vi dải, cấp n, cấp nguồn bằng
truyền tải cơng i patch, cịn phần n trong quá trình thiết dàng cho phối hợp trở
n ăn ra phía ngồi làm cho anten khơng
ố lượng đầu nối m đi.
i tăng bề dày lớp nền m của probe tăng
Hình 2-12: Anten vi dả
b. Cấp nguồn bằng đường truy Việc tiếp điện cho anten vi d cách lựa chọn tự nhiên vì m và cả hai cĩ thể được thiết k
chế; đĩ là sự phát xạ khơng mong mu điện là đáng kể so với patch (ví d Hiện tượng này sẽ gây ra ả méo dạng búp sĩng của anten.
Hình 2-13: Anten vi dải v
ải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương
ng truyền vi dải
n cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một l nhiên vì mặt bức xạ cĩ thể được xem là một đường truy
t kế trên cùng một mạch. Tuy nhiên, kỹ thuật này cĩ vài h khơng mong muốn từ đường tiếp điện khi kích thư
i patch (ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với kho ảnh hưởng tương hỗ gây sai lệch tần số tính tốn c a anten.
i với đường truyền tiếp điện vi dải và mạch tương đương ch tương đương
t lớp nền là một ng truyền vi dải hở t này cĩ vài hạn n khi kích thước đoạn tiếp i khoảng vài mm). tính tốn cũng như
Hình 2-14: Các kỹ
c. Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe Phương pháp cấp nguồn này c
cần thiết của đường microstrip gồm 2 lớp điện mơi. Mặt b được khoét 1 khe hở nhỏ, đư thường thì miếng điện mơi hằng số điện mơi cao để nh phương thức cấp nguồn này khĩ th độ dày của anten yêu cầu thi cho băng hẹp (narrow bandwith).
Hình 2-15: Anten vi d
thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi d
ng phương pháp ghép khe
n này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự ng microstrip line. Cấu trúc chính của anten cấp nguồ
t bức xạ được đặt trên cùng, đất ở giữa hai l , đường tiếp điện nằm ở lớp điện mơi dướ n mơi ở trên cĩ hằng số điện mơi thấp, lớp điện mơi
nhắm mục đích tối ưu hĩa sự bức xạ của anten. Tuy nhiên, n này khĩ thực hiên chế tạo do phải làm nhiều lớ
u thiết bị kỹ thuật hiện đại. Phương pháp cấp ngu p (narrow bandwith).
: Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương n vi dải ự bức xạ khơng ồn dạng này bao a hai lớp chất nền và ới cùng. Thơng n mơi ở dưới cĩ a anten. Tuy nhiên, ớp, và làm tăng p nguồn này thì
d. Cấp nguồn bằng phương pháp ghép g Anten với phương pháp cấ
miếng điện mơi phía trên, đư ưu điểm đĩ loại bỏ tối đa s thơng rộng (khoảng 13%).
Hình 2-16: Anten vi d
Phương pháp này cũng đượ điện dung giữa patch và đư chọn để cải thiện băng thơng và gi vì lí do này, bề dày của lớp đi
này sẽ lớn hơn. Tuy nhiên phương pháp này ph
2.2.4. Các mơ hình phân tíc
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