Chƣơng 2 ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MẢNG VI DẢI
2.2. Anten mảng vi dải
2.2.2. Hệ thống tiếp điện của mảng anten vi dải
Trong một mảng anten, các phần tử trong mảng đƣợc cấp nguồn bởi các bộ chia tín hiệu cao tần hay hệ thống tiếp điện. Để các đặc tính của phần tử anten đơn
khơng bị suy giảm khi ghép thành mảng, hệ thống tiếp điện của mảng đó cần đƣợc tối ƣu để phối hợp trở kháng tốt nhất, tránh đƣợc các mất mát tối đa trên đƣờng truyền. Ngoài ra, với mỗi loại mảng khác nhau, với các yêu cầu về búp sóng khác nhau (búp nhọn hay dải quạt) thì cũng yêu cầu có các đƣờng tiếp điện hay hệ thống tiếp điện cũng hoàn toàn khác nhau.Thức tế, các hệ thống tiếp điện trong mảng anten kích thích một nguồn là tổ hợp các bộ chia công suất cao tần đƣợc phối hợp trở kháng với cổng vào. Trong các anten mảng pha, các kỹ thuật về đƣờng truyền cũng nhƣ dùng các phần tử thụ động tập trung có thể giúp ta điều khiển đƣợc búp sóng theo hƣớng cố định hoặc giảm mức búp phụ đến một mức cho phép. Vì thế, việc thiết kế một hệ thống tiếp điện hồn hảo là vơ cùng quan trọng cần đƣợc xem xét.
Các phƣơng pháp tiếp điện cho một mảng anten vi dải điển hình đƣợc phân loại dựa trên cấu trúc hình học có thể kể đến nhƣ hệ thống tiếp điện song song, nối tiếp. Hệ thống tiếp điện song song hay kết hợp có một cổng cấp nguồn và có rất nhiều các đƣờng tiếp điện song song và dẫn đến các cổng ra. Mỗi đƣờng tiếp điện đƣợc kết nối đến một phần tử bức xạ đơn. Hệ thống tiếp điện thứ hai đó là mạng tiếp điện nối tiếp. Nó bao gồm các đƣờng truyền vi dải liên tục mà các phần nhỏ năng lƣợng đƣợc tƣơng hỗ tới các phần tử đơn lẻ dọc theo đƣờng truyền bởi nhiều cách nhƣ tƣơng gần, tƣơng hỗ trực tiếp, tƣơng hỗ khe. Hệ thống tiếp điện nối tiếp sẽ tạo ra một sóng chạy nếu đƣờng truyền kết thúc bởi một tải phối hợp, hoặc một mảng cộng hƣởng nếu kết thúc là một ngắn mạch hay hở mạch. Hai loại tiếp điện này có thể đồng phẳng với các phần tử bức xạ hoặc nằm ở một lớp riêng biệt dành cho đƣờng truyền.
Hệ thống tiếp điện nói chung có các đặc tính khơng mong muốn cần phải cẩn thận theo dõi để tối thiểu các ảnh hƣởng xấu đến hiệu suất của mảng. Các đặc tính này có thể là các suy hao từ vật dẫn điện, suy hao của chất điện mơi, suy hao sóng mặt, bức xạ ngƣợc do các đƣờng không liên tục nhƣ gấp khúc, chia nhánh, hay chuyển đổi. Các suy hao này sẽ tạo nên suy hao chèn của đƣờng truyền ảnh hƣởng đến độ lợi tối đa của mảng.
* Hệ thống tiếp điện nối tiếp
Loại anten mảng vi dải đƣợc thiết kế đầu tiên đó là mảng anten tiếp điện nối tiếp (Series Fed Array). Mỗi phần tử đơn của loại mảng anten này đƣợc nối tiếp điện nối tiếp nhau thông qua đƣờng truyền vi dải.
Hình 2.12: Mảng anten tiếp điện nối tiếp 8 phần tử [3]
Ƣu điểm của mảng anten vi dải sử dụng cấu trúc tiếp điện nối tiếp là có cấu tạo đơn giản, mạng tiếp điện nhỏ gọn và có độ suy hao đƣờng truyền thấp hơn so với các loại mảng anten khác. Tuy vậy loại mảng anten này cũng có một số nhƣợc điểm nhất định.Nhƣợc điểm chủ yếu nhất của loại mảng kiểu này đó là băng thơng hẹp, thƣờng là hẹp hơn rất nhiều so với băng thông của những phần tử anten đơn. Vì anten mạch dải đơn có hệ số phẩm chất cao, nếu chúng đƣợc đặt nối tiếp nhau thì mỗi phần tử này sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến các phần tử khác. Và do đó, nếu có bất cứ sơ xuất hay lỗi nào trong quá trình sản xuất hay những yếu tố chƣa đƣợc xem xét cẩn thận trong việc thiết kế sẽ làm cho hiệu suất của mảng giảm xuống đáng kể. Vì cơng suất cung cấp cho mỗi phần tử phải đƣợc chuyển tới từ phần tử trƣớc đó nhƣ hình trên, do vậy việc trở kháng thay đổi quá nhanh từ phần tử anten đầu tiên cản trở q trình phân phối cơng suất tới các phần tử khác.
Mặc dù đã có rất nhiều kỹ thuật cải thiện băng thông của các phần tử đơn nhƣ kỹ thuật ghép gần, kỹ thuật ghép khe, tích hợp các kỹ thuật này vào mảng antentiếp điện nối tiếp sẽ loại bỏ các dây chêm hở và ngắn mạch làm giảm số lƣợng hệ số tự do của các phƣơng pháp tiếp điện và tính linh động của nó.
* Hệ thống tiếp điện song song một chiều
Mảng vi dải tiếp điện song song là loại mảng vi dải phổ biến nhất. Không giống nhƣ mảng anen tiếp điện nối tiếp, mỗi phần tử của mảng này đƣợc cấp nguồn kích thích bởi đƣờng truyền riêng, độc lập với các phần tử khác trong mảng.
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống tiếp điện song song một chiều bao gồm hệ thống các bộ chia hai nhƣ Hình 2.13 bên dƣới. Hệ thống tiếp điện corporate feed là
kiểu tiếp điện phổ biến trong cấu trúc tiếp điện song song. Với phân bố đồng đều, năng lƣợng đƣợc chia đều tại mỗi nút giao, tuy nhiên, có thể lựa chọn tỷ lệ chia công suất khác nhau để tạo ra phân bố khơng đều trên tồn mảng. Nếu khoảng cách từ cổng lối vào tới từng phần tử đơn là nhƣ nhau, vị trí của búp sóng sẽ độc lập với tần số và tiếp điện là băng rộng. Bằng việc tích hợp các bộ dịch pha hay mở rộng đƣờng truyền, hƣớng của búp sóng chính có thể đƣợc điều khiển. Nhƣợc điểm của tiếp điện loại này đó là nó yêu cầu đƣờng truyền vi dải rất dài để nối giữa các phần tử đơn với cổng vào. Do đó, suy hao chèn của mạng tiếp điện rất lớn và làm giảm hiệu suất chung của mảng [4].
Hình 2.13: Cấu trúc mảng anten tiếp điện song song 8 phần tử
Hình 2.13 thể hiện sơ đồ cấu trúc của một mảng anten với kiểu tiếp điện song song với 8 phần tử. Nhƣ có thể thấy, mỗi phần tử đơn đƣợc kích thích bởi đƣờng truyền vi dải riêng của nó. Mỗi đƣờng truyền này lại đƣợc kết nối với nhau qua bộ tổ hợp công suất 2 cổng, nếu số lƣợng phần tử trong mảng là lẻ thì bộ chia 2 cổng này sẽ đƣợc thay thế bằng bộ chia 3 cổng.
Trong tất cả các kiểu mảng vi dải, cấu trúc song song có băng thơng rộng nhất, trong một vài trƣờng hợp còn lớn hơn cả các phần tử đơn của mảng. Hiện tƣợng này có thể là do mạng tiếp điện loại bỏ đƣợc công suất phản xạ không mong muốn. Việc cách ly tốt giữa các đƣờng tiếp điện đơn cho phép phối hợp thêm các bộ dịch pha để có thể lái búp sóng của mảng cũng nhƣ điều chỉnh biên độ dòng để giảm mức búp phụ của mảng anten [4].
* Hệ thống tiếp điện song song hai chiều
Hệ thống tiếp điện song song một chiều có thể đƣợc sắp xếp một cách hợp lý để tạo ra hệ thống tiếp điện song song hai chiều nhƣ Hình 2.14. Các mảng con có thể đƣợc dùng để tạo ra anten lớn hơn với số phần tử là 2n ở một bên để duy trì tính đối xứng. Nếu một trong hai bên có số phần tử là lẻ thì sự đối xứng sẽ khơng cịn. Do vậy, trong các mảng bất đối xứng, bộ chia công suất tỷ lệ khác nhau đƣợc sử dụng để có đƣợc phân bố đồng đều.
Hình 2.14: Hệ thống tiếp điện song song 2 chiều
Hệ thống tiếp điện song song một chiều có thể đƣợc sắp xếp một cách hợp lý để tạo ra hệ thống tiếp điện song song hai chiều nhƣ hình dƣới. Các mảng con có thể đƣợc dùng để tạo ra anten lớn hơn với số phần tử là 2n ở một bên để duy trì tính đối xứng. Nếu một trong hai bên có số phần tử là lẻ thì sự đối xứng sẽ khơng cịn. Do vậy, trong các mảng bất đối xứng, bộ chia công suất tỷ lệ khác nhau đƣợc sử dụng để có đƣợc phân bố đồng đều [4].
Chương 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIÊU CAO TẦN ADS VÀ
MATLAB