Kết quả so sánh biên độ và pha kích thích tại các cổng ra và phân bố Chebyshev theo lí thuyết cũng như phân bố dòng điện mô phỏng trong hình 3.26 cho thấy dòng điện mạnh nhất nằm ở trung tâm của mạng tiếp điện và giảm dần ở cả hai bên, tương tự như sự phân bố Chebyshev. Như vậy, các thông số cơ bản của mạng tiếp điện phù hợp với trọng số yêu cầu đã đặt ra.
3.3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của các hệ số mô phỏng từ mạng tiếp điện nối tiếp và tương ứng từ lý thuyết được trình bày trong hình 3.28. Do đó, với các trọng số được mô phỏng từ mạng tiếp điện đề xuất có khả năng tạo anten mảng với SLL đạt được -27 dB.
Hình 3.28. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa với trọng số mảng của mạng tiếp điện (nét chấm) và với trọng số lí thuyết Chebyshev (nét liền)
Trong luận án, anten mảng đề xuất được cấu trúc từ 10×1 anten phần tử đơn DSPD và mạng tiếp điện nối tiếp phân bố Chebyshev ở phần trên. Ngoài ra, để tăng độ lợi cho anten mảng, hai kĩ thuật nâng cao độ lợi cho mảng được áp dụng:
Kĩ thuật thứ nhất là thêm vào các thanh dẫn xạ dựa theo lí thuyết của anten Yagi-Uda [27]. Theo đó, trước mỗi phần tử đơn DSPD các thanh dẫn xạ được thêm vào. Các thanh dẫn xạ đồng nhất với kích thước hai chiều 2,5×15 mm (0,42g
×0,07g) được đặt tương ứng về trên hai mặt của DSPD. Số lượng các thanh dẫn xạ có thể khác nhau, tùy thuộc vào tương quan giữa độ lợi và kích thước mảng mong muốn. Cấu trúc các thanh dẫn xạ được thể hiện trong hình 3.29.
g 20 . 0 g 42 . 0 g 07 . 0 g 21 . 0
Các kết quả mô phỏng độ lợi và SLL trong trường hợp mảng có các thanh dẫn xạ và trường hợp mảng không có thanh dẫn xạ được trình bày trong phần kết quả ở cuối chương.
Kĩ thuật thứ hai nhằm tăng độ lợi cho anten mảng đề xuất được thực hiện bằng việc sử dụng một tấm phản xạ kim loại in trên tấm nền FR4 được đặt phía sau của mảng, cách mảng một khoảng bằng g/4. Hình 3.30 mô tả cấu trúc anten mảng đề xuất với mạng tiếp điện phân bố Chebyshev với kích thước tổng thể của mảng là 422×100×10,15 mm3.
(a) Mặt trước
(b) Mặt sau
c) Cấu trúc anten 3D
Hình 3.31 trình bày kết quả mô phỏng suy hao phản hồi của mảng đề xuất, nó cho thấy tần số cộng hưởng của anten là 5,5 GHz, và băng thông đạt 212,4 MHz tại S11 ≤10 dB.
Hình 3.31. Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi S11 của mảng
Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng ở các tần số làm việc khác nhau được trình bày ở hình 3.32-3.33. Đồ thị bức xạ cho thấy, hướng búp chính trong mặt phẳng yoz lệch so với trục oz một góc 38,5 độ.
Mặt phẳng xoz Mặt phẳng yoz
f = 5,2 GHz f = 5,3 GHz
f = 5,4GHz f = 5,5 GHz
f = 5,6 GHz f = 5,7 GHz
Tổng hợp và so sánh sự thay đổi của độ lợi và SLL của mảng theo tần số như trong hình 3.34 và hình 3.35 dưới đây.
Kết quả mô phỏng trường bức xạ cho thấy độ lợi của anten mảng có thể đạt được 17,5 dBi, hiệu suất đạt 93,1 % và SLL khá thấp, đạt -26 dB tại tần số làm việc 5,5 GHz. Hiệu suất bức xạ của anten đạt trung bình 93,0% trong toàn băng tần hoạt động. Hơn nữa, độ lợi và SLL trung bình trên toàn băng tần đạt tương ứng 17,3 dBi và -21 dB. So với đồ thị bức xạ lí thuyết, thì SLL của mạng tiếp điện nối tiếp trong mô phỏng cao hơn 1,79 dB.
Đặc tính độ lợi và SLL của mảng trong trường hợp có và không có các thanh dẫn xạ được cũng như trường hợp có và không có mặt phẳng phản xạ được thể hiện trong các hình 3.36 và 3.37. Kết quả mô phỏng cho thấy, trong trường hợp sử dụng các thanh dẫn xạ, độ lợi của mảng tăng đáng kể trong khi đó SLL không thay đổi nhiều so với trường hợp mảng không sử dụng các thanh dẫn xạ. Tuy vậy, trường hợp không sử dụng các thanh dẫn xạ cho búp sóng đối xứng hơn (hình 3.36b) so với trường hợp sử dụng các thanh dẫn xạ. Trường hợp sử dụng mặt phẳng phản xạ, mảng có độ lợi cao hơn hẳn trường hợp không sử dụng mặt phản xạ (17,5 dBi so với 14,4 dBi) do trường hợp có mặt phản xạ năng lượng bức xạ chỉ tập trung vào phía trên của mặt phẳng phản xạ (hình 3.37).
(b) Mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng không có thanh dẫn xạ (5,5 GHz) Hình 3.36. Khảo sát đồ thị bức xạ của mảng mảng theo các thanh dẫn xạ
(b) Mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng không có mặt phản xạ (5,5 GHz) Hình 3.37. Khảo sát đồ thị bức xạ của mảng 10×1 theo mặt phản xạ
Dựa trên thiết kế anten mảng vi dải Chebyshev 10×1 phần tử như đã trình bày trên, một nguyên mẫu được chế tạo (hình 3.38) và đo kiểm trường bức xạ bằng phương pháp đo trường gần tương tự như đã thực hiện ở mục 2.3 [14].
Hình 3.38. Nguyên mẫu chế tạo anten mảng đề xuất
Kết quả đo đạc các tham số của mẫu nguyên mẫu chế tạo đã được so sánh với mô phỏng. Hình 3.39 so sánh suy hao phản hồi S11, có thể thấy rằng tần số hoạt động của anten là 5,5 GHz với băng thông (tại S11 ≤ -10 dB) là 212 MHz, phù hợp giữa mô phỏng và đo đạc.
Hình 3.39. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số suy hao phản hồi
Đồ thị bức xạ đồng phân cực và phân cực chéo trong mặt phẳng xoy và mặt phẳng yoz của anten đề xuất được trình bày trong hình 3.40. Kết quả cho thấy SLL khá thấp, đạt -25,62 dB và chéo hóa phân cực ở cả hai mặt phẳng đều ở mức dưới - 20 dB tại tần số 5,5 GHz. Kết quả cho thấy, mặc dù có sự sai khác nhỏ về dạng bức xạ (chủ yếu do kiện phòng đo chưa đạt tiêu chuẩn, như đã trình bày ở mục 3.2.4), các kết quả đo đạc cơ bản phù hợp với kết quả tính toán lí thuyết và mô phỏng và hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu thiết kế.
(b) Mặt phẳng yoz
Hình 3.40. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của anten mảng
Kết quả đo đạc độ lợi của anten mảng đạt 17,1 dBi ở tần số 5,5 GHz, khá phù hợp với kết quả đo được khi mô phỏng là 17,5 dBi. Các tham số đặc tính cơ bản của anten mảng đề xuất được so sánh với các kết quả của các công trình đã công bố trước đây và được thể hiện trong bảng 3.13.
Bảng 3.13: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo Thông số [78] [61] [39] [Đề xuất] Điện môi (chiều dày, hằng số) Roger RO4350 (0,508mm,3, 66) Roger RT/Duroid 5880tm (0,2mm, 2,2) Roger RT/Duroid 5880tm (0,508mm 2,2) Roger RT/Duroid 5870tm (1,575mm, 2,33) Số phần tử 10×1 10×1 8×1 10×1 Kích thước (λ) 6,01×0,37 --- --- 7,7×1,83×0,19 Tần số (GHz) 9,0 60 7,54 5,5 Băng thông (%) 1,3 36,1 31,9 3,9 Độ lợi (dBi) 14,5 15,7 15,7 17,5 SLL (dB) -25,3 -27,7 -23,1 -26,0 Phân cực chéo (dB) -25,0 --- -30,0 -20,0 Hiệu suất bức xạ (%) 71 92 --- 93,1
Bảng 3.13 cho thấy, anten đề xuất có độ lợi cao và SLL thấp hơn so với mẫu anten mảng [78]. Mặc dù mẫu anten mảng đề xuất có SLL cao hơn so với mẫu [61], tuy vậy, mẫu anten mảng đề xuất lại có độ lợi cao hơn.
3.4. Kết luận chƣơng 3
Chương 3 đã trình bày hai đề xuất phát triển anten mảng vi dải sử dụng phân bố Chebyshev tương ứng với hai loại mạng tiếp điện song song hoặc nối tiếp. Cả hai anten mảng đề xuất đều sử dụng anten DSPD làm phần tử đơn và hoạt động trong băng tần C. Từng bước trong quá trình thiết kế đã được phân tích, chứng minh và trình bày trong phương pháp luận và qui trình thiết kế. Bên cạnh đó, các mẫu anten mảng vi dải đề xuất đều đã được chế tạo và đo kiểm.
Anten mảng vi dải tiếp điện song song đề xuất có cấu trúc nhỏ gọn (165×195×10 mm3), độ lợi đạt 12,9 dBi và SLL thấp dưới -25 dB tại tần số 4,95 GHz.
Anten mảng Chebyshev tiếp điện nối tiếp đã đề xuất có kích thước nhỏ gọn (55×385×1,575 mm3). Anten mảng có độ lợi đạt 17,5 dBi (độ lợi trung bình trong băng tần 212 MHz đạt 17,1 dB) và SLL thấp -26 dB ở tần số 5,5 GHz.
Các mô hình anten mảng đề xuất hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tiễn cho hệ thống WLAN chuẩn 802.11ac ngoài trời hoặc các ứng dụng trong băng tần C. Các kết quả trong chương đã được công bố trong các công trình [5-8].
KẾT LUẬN
Trong luận án này, cơ sở khoa học và các giải pháp phát triển anten mảng vi dải đã được lần lượt trình bày. Trước tiên, mô hình anten mảng, phương pháp trọng số trong thiết kế anten mảng và những nguyên nhân ảnh hưởng đến SLL của anten mảng vi dải đã được tổng quan. Trên cơ sở đó, các phương pháp giảm SLL của anten mảng, đặc biệt là phương pháp sử dụng trọng số, các mạng tiếp điện phổ biến sử dụng trong thiết kế anten mảng vi dải đã được phân tích và trình bày chi tiết. Đây là những cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp thiết kế các mô hình anten mảng độ lợi cao, SLL thấp, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và phù hợp với các ứng dụng truyền thông vô tuyến thế hệ mới.
Qui trình tổng quát thiết kế anten DSPD có băng thông rộng, độ lợi cao, có khả năng điều chỉnh tần số cộng hưởng và cải tiến để mở rộng băng thông một cách dễ dàng đã được đề xuất. Các anten DSPD được áp dụng để thiết kế anten mảng vi dải búp sóng dải quạt và mảng phẳng búp nhọn có độ lợi cao, ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến băng tần C.
Cuối cùng, qui trình tổng quát để thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song và nối tiếp cũng đã được đề xuất. Qui trình này đã được áp dụng để thiết kế hai anten mảng vi dải tương ứng có độ lợi cao, SLL ở mức thấp hơn -25 dB. Ngoài ra, các anten mảng được thiết kế có kích thước nhỏ gọn.
Những đóng góp khoa học chính của luận án
Luận án có những đóng góp khoa học của luận án sau:
(1) Đề xuất giải pháp thiết kế anten DSPD có băng thông rộng, kích thước nhỏ gọn. Phần tử anten DSPD có thể điều chỉnh được tần số cộng hưởng và cải tiến để mở rộng băng thông một cách dễ dàng, hiệu quả, đặc biệt trong thiết kế anten mảng vi dải độ lợi cao, SLL thấp.
(2) Đề xuất giải pháp thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp sử dụng phần tử anten DSPD và mạng tiếp điện song song Chebyshev.
Trong đóng góp này, qui trình thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev được chú trọng phân tích và trình bày. Đồng thời, qui trình đã được áp dụng để thiết kế một mẫu anten mảng vi dải 8×1 phần tử có SLL thấp dưới -25 dB tại tần số trung tâm 4,95 GHz.
(3) Đề xuất giải pháp thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp và độ lợi cao sử dụng phần tử anten DSPD và mạng tiếp điện nối tiếp Chebyshev.
Đóng góp này tập trung vào qui trình thiết kế mạng tiếp điện nối tiếp Chebyshev với kĩ thuật sử dụng cấu trúc dây chêm hở mạch được kí sinh trên đường truyền tiếp điện chính của mảng. Các tính toán, mô phỏng và thực nghiệm trên mẫu anten mảng vi dải 10×1 phần tử hoạt động băng tần C đã được triển khai. Anten mảng có độ lợi cao trên 17 dBi, SLL thấp dưới -26 dB tại tần số trung tâm 5,5 GHz với cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo.
Các mô hình anten đề xuất hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tiễn cho hệ thống WLAN chuẩn 802.11ac ngoài trời hoặc các hệ thống truyền thông vô tuyến khác hoạt động trong băng tần C.
Hƣớng phát triển của luận án:
Các hướng phát triển tiếp theo của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu các kĩ thuật cải thiện băng thông của phần tử anten DSPD và ứng dụng phát triển mô hình anten vi dải băng thông rộng hoặc siêu rộng, kích thước nhỏ gọn.
- Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán tối ưu (DEA, GA, PSO, BAT,…) để tính toán tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình bức xạ của anten mảng vi dải.
- Nghiên cứu các giải pháp kiểm soát ảnh hưởng của bức xạ giả, ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten của mảng vi dải.
- Nghiên cứu sử dụng các cấu trúc siêu vật liệu, EBG,… trong thiết kế anten mảng vi dải.
DANH MỤC
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1] T. T. Toan, N. M. Tran, T. V. B. Giang (2016), “A Fan-Beam Array Antenna with Reflector Back for 5 GHz Outdoor Wi-Fi Applications”, The 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC-2016), pp. 388-392.
[2] T. T. Toan, N. M. Hung, N. M. Tran, T. V. B. Giang (2016), “A Pencil-Beam Planar Dipole Array Antenna for IEEE 802.11ac Outdoor Access Point Routers”, VNU Journal of Science: Comp. Science & Com. Eng., Vol. 32, No. 3, pp.26-31.
[3] T. T. Toan, N. M. Tran, T. V. B. Giang (2016),“A New Approach to Design and Optimize Double-Sided Printed Dipole Antennas”, The 2016 National Conference on Electronics, Communications, and Information Technology (REV- 2016),pp. 2/21-2/24.
[4] T. T. Toan, N. M. Tran, N. V. Phu, N. T. Thanh, N. V. Dung, T. V. B. Giang (2016), “A Linear Antenna Array with High Gain, Low Side-lobe Level for 5 GHz Outdoor WLAN Applications”, The 2016 National Conference on Electronics, Communications, and Information Technology (REV-2016), pp. 1/61-1/64.
[5] T. T. Toan, N. M. Tran, T. V. B. Giang (2017), “A Feeding Network with Chebyshev Distribution for Designing Low Sidelobe Level Antenna Arrays”,
VNU Journal of Science: Comp. Science & Com. Eng., Vol. 33, No. 1. pp. 16-21. [6] T. T. Toan, N. M. Tran, T. V. B. Giang(2017), “A 8×1 Sprout-Shaped Antenna
Array with Low Sidelobe Level of -25 dB”, VNU Journal of Science: Comp. Science & Com. Eng., Vol. 33, No. 1. pp. 1-6.
[7] T. T. Toan, N. M. Tran, T. V . B. Giang (2017), “Designing a Feeding Network of Linear Antenna Arrays Using Chebyshev Distribution Weights for a Sidelobe Level of -27 dB”, Proceedings of The 2017 Vietnam-Japan Microwave, June 13-14th, 2017, Hanoi, Vietnam, pp. 45-49.
[8] T. T. Toan, N. M. Tran, and T. V. B. Giang (2017), "A Low Sidelobe Fan- beam Series Fed Linear Antenna Array for IEEE 802.11ac Outdoor Applications" in The 2017 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC-2017), Quynhon, Vietnam, 2017, pp.161- 165.
[9] T. T. Toan, N. M. Tran, and T. V. B. Giang (2018), “A Novel Chebyshev Series Fed Linear Array with High Gain and Low Sidelobe Level for WLAN Outdoor Systems" REV Journal on Electronics and Communications, Vol. 8, No.1-2, pp. 14-21.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang (2013), Kỹ thuật siêu cao tần, Vol. 1, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, (Chương 4).
2. Abdulmajeed F. N., N. Shekar V. Shet., Rao P. H. (2016), Analysis of series- fed microstrip array antennas, 2016 International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET), Editor^Editors, IEEE Conference Publications, pp. 47-49.
3. Agrawal A.K., Powell W.E. (1986), "A printed circuit cylindrical array antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 34(11), pp. 1288 - 1293.
4. Alvarez L.W. (1987), Adventures of a Physicist, Basic Book, New York. 5. Aruba Networks. (2011), Outdoor Point-to-Point, Tech. Rep. version 1.0,
Aruba Networks, Inc., Airwave cat al., 1344 Crossman Avenue, Sunnyvale, California 94089.
6. Bailey M.C. (1984), "Broad-Band Half-Wave Dipole", IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 32(4), pp. 410 - 412.
7. Balanis C.A. (2016), Antenna Theory Analysis and Design, Wiley- Interscience, Hoboken, NJ, USA.
8. Barrette S., Podilchak S.K., Antar Y.M. M. (2012), Ultrawideband Double- Sided Printed Dipole Arrays, IEEE International Conference on Ultra- Wideband, pp. 232-235.
9. Bayat N., Hassani H.R., Ali Nezhad S.M. (2011), Sidelobe Level Reduction In Microstrip Patch, 2011 Loughborough Antennas & Propagation Conference, pp. 1-4.
10. Bayderkhani R., Hassani H.R. (2009), "Low sidelobe wideband series fed double dipole microstrip antenna array", IEICE Electronic Express. 6(20), pp. 1462-1468.
11. Bayderkhani R., Hassani H.R. (2009), "Wideband and Low Sidelobe Linear Serises Fed Yagi like Antenna Array", Progress In Electromagnetics Research B. 17, pp. 153-157.
12. Bayderkhani R., Hassani H.R. (2010), "Wideband and Low Sidelobe Slot