2.1.7 Hệ số tăng ích
Nếu hệ số tính hướng là một tham số quan trọng để đánh giá một ăng ten thì tham số tiếp theo cũng quan trọng không kém đối với việc thiết kế ăng ten là hệ số tăng ích. Bản chất của hệ số tăng ích là thể hiện sự bức xạ năng lượng được tăng cường, khếch đại lên. Cịn theo định nghĩa hệ số tăng ích là giống với hệ số định hướng nhưng sẽ bao gồm them một yếu tố nữa chính là tổn hao của ăng ten. Hệ số tăng ích được tính theo cơng thức:
𝐺(𝜃, Φ) = 4𝜋 × 𝑈(𝜃,Φ)
𝑃𝑖𝑛 (𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝑃𝑖𝑛) Với:
𝑃𝑖𝑛: Tổng công xuất vào (công xuất đi vào ăng ten) 𝑒𝑐𝑑: hiệu xuất bức xạ
Vì vậy dựa vào cơng thức phía trên có thể kết luận rằng hệ số tăng ích phụ thuộc vào cả hệ số tính hướng và hiệu xuất.
với công thức:
𝐺0 = 𝐺(𝜃, Φ)𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝐷0
Tuy nhiên theo định nghĩa cũ, hệ số tăng ích hay realized gain cịn bao gồm cả hiệu xuất phản xạ được xác định theo công thức:
𝐺 = 𝑒0 × 𝐷 Với:
𝑒0 = 𝑒𝑟 × 𝑒𝑐 × 𝑒𝑑: Tổng hiệu xuất của ăng ten 𝑒𝑟: Hiệu xuất phản xạ
Trong thực tế 𝑒𝑐: hiệu xuất truyền dẫn (tổn hao dẫn điện) và 𝑒𝑑: hiệu xuất điện môi (tổn hao điện mơi) rất khó để tính. Chúng được xác định bằng thưc nghiệm nhưng để tính riêng rẽ thì rất khó nên gọi chung là 𝑒𝑐𝑑: hiệu xuất bức xạ
2.1.8 Băng thông
Theo định nghĩa băng thông là dải tần làm việc của ăng ten ở đó ăng ten có một hay một số các tham số thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật cho trước. Đối với các chỉ tiêu kỹ thuật sẽ khác nhau cho từng loại ăng ten vì tùy vào từng ứng dụng, thiết bị. Ví dụ như đối với các thiết bị trạm vệ tinh thì chỉ tiêu kỹ thuật cho băng thông sẽ cao hơn với |𝑆11| < -15 dB so với các điện thoại thơng minh thơng thường bán ngồi xã hội chỉ u cầu |𝑆11| < -6 dB.
Hình 2.12 Băng thơng cho ăng ten
Công thức xác định băng thơng của ăng ten có 2 cách xác định với từng loại ăng ten khác nhau là ăng ten băng rộng và ăng ten băng hẹp.
Ăng ten băng rộng: 𝑓𝑚𝑎𝑥 ÷ 𝑓𝑚𝑖𝑛 Ăng ten băng hẹp: (𝑓𝑚𝑎𝑥− 𝑓𝑚𝑖𝑛)
𝑓𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑡â𝑚 (𝑓𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑡â𝑚 = 𝑓𝑚𝑎𝑥 + 𝑓𝑚𝑖𝑛
được chỉ ta trong hình 2.13 dưới đây.
Hình 2.13 Cách xác định băng thơng của ăng ten
Dựa vào hình 2.13 phía trên chúng ta có thể xác định được băng thơng hoạt động của ăng ten cho |𝑆11| < -20 dB: 5.24 – 5.85 GHz (11%) và băng thơng hệ số tăng ích > 12 dB đạt được là: 5.19 – 6.04 GHz (15.13%).
2.2 Phân cực
Ăng ten là một bộ chuyển đổi biến đổi dịng điện tần số vơ tuyến thành sóng điện từ sau đó được bức xạ vào khơng gian. Mặt phẳng điện trường xác định sự phân cực hoặc định hướng của sóng vơ tuyến. Nói chung, hầu hết các ăng ten phát xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn.
Một ăng ten phân cực tuyến tính bức xạ hoàn toàn trên một mặt phẳng chứa hướng truyền. Sự phân cực của sóng điện từ tuân theo hướng của điện trường, chúng ta có thể định nghĩa phân cực ăng ten là sự phân cực của sóng truyền từ ăng ten theo hướng thiết kế. Trong trường hợp một ăng ten phân cực tròn, mặt phẳng phân cực quay theo một vòng tròn thực hiện một vòng quay hồn tồn trong một chu kỳ của sóng. Nếu chuyển động đó thực hiện quay theo hướng kim đồng hồ theo hướng lan truyền gọi là phân cực tròn phải và ngược lại là phân cực tròn trái. Còn với trường hợp ăng ten được cho là phân cực thẳng đứng (tuyến tính) khi điện trường của nó vng góc với bề mặt Trái đất. Ví dụ về ăng ten thẳng đứng là tháp phát sóng cho đài AM. Ăng ten phân cực ngang (tuyến tính) có điện trường song song với bề mặt Trái đất. Ví dụ như truyền hình sử dụng phân cực ngang. Phân cực cuối cùng được nhắc đến là ăng ten phân cực elip có cơ chế giống như phân cực tròn, nhưng độ lớn của hai thành phần trực giao của trường khơng giống nhau. Vì vậy, chúng ta có thể thấy rằng phân cực thẳng và phân cực tròn có thể được coi là một trường hợp cụ thể của phân cực Elip. Nó có hai loại phân cực (phân cực elip bên trái và phân cực elip bên phải).
Hình 2.14 Một số loại phân cực
2.3 Lý thuyết mảng
Hình 2.15 Một số mảng ăng ten ngồi thực tế
Thông thường, mẫu bức xạ của một phần tử đơn tương đối rộng và mỗi phần tử cung cấp các giá trị định hướng thấp. Trong nhiều ứng dụng người ta cần thiết kế các ăng ten có tiêu chí kỹ thuật độ định hướng rất cao để đáp ứng việc liên lạc đường dài. Điều này chỉ có thể thực hiện khi chúng ta tăng kích thước điện của ăng ten, việc mở rộng kích thước của một phấn tử ăng ten đơn thường dẫn đến nhiều đặc tính khơng mong
kích thước của từng phần tử ăng ten là tạo thành một tập hợp các phần tử bức xạ liên kề nhau theo một tiêu chí nào đó. Ăng ten mới này được tạo ra bởi nhiều các phần tử ăng ten đơn được gọi là một mảng và hầu hết trong trường hợp các phần tử của một mảng là giống hệt nhau để thuận tiện cho việc thiết kế.
Để cung cấp mơ hình có tính hướng tốt điều cần thiết là các trường nhỏ được tạo ra bởi các phần tử riêng lẻ sẽ đóng góp theo hướng mong muốn và triệt tiêu các hướng không mong muốn trong không gian cịn lại. Ngồi ra mảng có thể cung cấp các búp sóng có khả năng điều chỉnh và giám sát được (thay đổi hướng bức xạ theo mong muốn) [14].
Tóm lại chúng ta cần xác định những lợi ích chính của việc ghép mảng đối với phần tử ăng ten là gì và tại sao chúng ta cần ghép mảng. Đầu tiên lợi ích số một được nhắc đến trong việc ghép mảng cho ăng ten là giúp tăng hệ số tính hướng của ăng ten bằng cách tăng kích thước của ăng ten thơng qua việc ghép mảng. Cơng thức thể hiện cho sự tác động của kích thước của ăng ten đến hệ số tính hướng được thể hiện dưới đây:
𝐷0 = 4𝜋
𝜆 × 𝐴𝑒𝑚 Với:
𝐴𝑒𝑚 là diện tích thu hoặc phát sóng của ăng ten
Thứ hai cơng dụng của mảng ăng ten có thể nhắc đến đó là điều khiển đồ thị bức xạ. Trong điều khiển đồ thị bức xạ chúng ta có thể nhắc đến hai đặc tính chính đó là lái búp sóng chính theo các hướng khác nhau mà chúng ta mong muốn và định dạng búp sóng cho các ứng dụng cụ thể. Nói đến việc điều khiển búp sóng chính theo các hướng khác nhau chúng ta có thể kể đến công nghệ tiên tiến đầy tiềm năng gần đây đó là beamforming, cơng nghệ này có thể hiểu đơn giản là chúng ta sẽ áp dụng kỹ thuật mảng pha tiếp điện để thay đổi búp sóng theo hướng mong muốn (một lưu ý nhỏ rằng công nghệ beamforming là cơng nghệ mới trong 5G và chưa có trong 4G, đối với 4G chúng ta vẫn sử dụng búp sóng cố định mỗi búp sóng có dải quạt rộng 120 độ với 3 sector để phủ 360 độ chúng ta có thể dễ dàng nhìn thấy trên các trạm gốc BTS). Đặc tính tiếp theo đã nêu bên trên đó là định dạng búp sóng cho các ứng dụng cụ thể hay cịn có thể giải thích là bằng cách điều chỉnh các cổng tiếp điện khác nhau để thu nhỏ các búp sóng phụ khơng mong muốn gây nhiễu đến búp sóng chính và người dùng đồng thời tập chung năng lượng vào búp sóng chính.
Bên cạnh đó một nguyễn lý cơ bản khi nói đến mảng ăng ten đó là giao thoa hay nói rõ ràng là các trường bức xạ từ mỗi phần tử trong mảng sẽ giao thoa với nhau nếu cùng pha sẽ tạo thành bụng sóng ở hướng mong muốn và bút sóng ở các hướng khác.
Hình 2.16 Sự giao thoa sóng của các phần tử trong mảng
Cuối cùng chúng ta sẽ đề cập đến các tham số ảnh hưởng đến đồ thị bức xạ của mảng. Đầu tiên sẽ kể đến đó là cấu trúc hình học của mảng, cấu trúc hình học của mảng chúng ta dễ dàng bắt gặp và nhìn thấy nhất đó là mảng xếp theo một đường thằng hoặc xếp theo một mạng lưới như hình 2.17 dưới đây. Tuy nhiên đối với từng ứng dụng lĩnh vực cụ thể hình dạng mảng ăng ten có thể thay đổi sao cho phù hợp ví dụ như trên đầu các máy bay thương mại sẽ được lắp đặt ăng ten mảng với cấu hình trụ tương thích với máy bay đó hay trong các quả tên lửa hành trình cũng vậy. Tham số tiếp theo ảnh hưởng đến đồ thị bức xạ của mảng được đề cập đó là khoảng cách giữa các phần tử cùng với đó là cách thức tiếp điện của mảng của mảng. Hai tham số này sẽ được đánh giá và nhận xét trong các phần tiếp theo.
Hình 2.17 Hai cấu trúc mảng phổ biến
2.3.1 Mảng hai phần tử
Giả sử rằng ăng ten đang được khảo sát là một mảng gồm hai lưỡng cực nằm ngang có kích thước vơ cùng nhỏ được đặt dọc theo trục z, như thể hiện trong hình 2.18.
tổng của hai phần tử đó trong mặt phẳng y-z, trường đó được cho bởi: 𝐸𝑡 = 𝐸1+ 𝐸2 = 𝑎𝜃𝑗𝜂𝑘𝐼0𝑙
4𝜋 {𝑒−𝑗[𝑘𝑟1−(𝛽/2)]
𝑟1 cos 𝜃1+𝑒−𝑗[𝑘𝑟2−(𝛽/2)]
𝑟1 cos 𝜃2}
Trong đó 𝛽 là hiệu số pha kích thích giữa các phần tử. Độ lớn kích thích của các bộ tản nhiệt là giống hệt nhau.
Hình 2.18 Mảng hai phần tử được định vị dọc theo trục z
Để lấy mẫu tổng điện trường, ví dụ như sau cho trường xa Cho các trường hợp pha
𝜃1 = 𝜃2 = 𝜃 𝑟1 = 𝑟 −𝑑
2cos 𝜃 𝑟2 = 𝑟 +𝑑
2cos 𝜃 Cho các trường hợp biên độ
𝑟1 = 𝑟2 = 𝑟
Tổng điện trường bằng 𝐸𝑡 = 𝑎0𝑗𝜂𝑘𝑙0𝑙𝑒−𝑗𝑘𝑟
4𝜋𝑟 cos 𝜃{2cos [1
2(𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝛽)]}
Tổng trường của mảng bằng trường của một phần tử đơn lẻ nhân với một hệ số được gọi là hệ số mảng. Do đó, đối với mảng hai phần tử có biên độ khơng đổi, hệ số mảng được cho bởi:
𝐴𝐹 = 2 cos[1
2(𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝛽)]
Các đặc tính của mảng và tổng trường của mảng có thể điều khiển và kiểm sốt bằng cách thay đổi khoảng cách d hoặc pha 𝛽 giữa các phần tử
Hình 2.19 Trường xa và biểu đồ phasor của mảng N phần tử của nguồn đẳng hướng
Bên trên mảng các phần tử đã được giới thiệu và nó đã được minh họa bằng mảng hai phần tử bây giờ chúng ta sẽ tổng quát phương pháp bao gồm N phần tử. Như hình 2.19 biểu diễn chúng ta thấy được tất cả các phần tử có biên độ giống hệt nhau nhưng tại mỗi phần tử tiếp theo sẽ có một 𝛽 kích thích dịng dẫn pha tăng dần so với phần trước. Một mảng gồm các phần tử giống nhau có độ lớn giống hệt nhau và mỗi phần tử có một pha tăng dần được gọi là một mảng đồng nhất. Nếu các phần tử không phải là nguồn đẳng hướng trường tổng có thể được hình thành bằng cách nhân hệ số mảng của các nguồn đẳng hướng với trường của một phần tử (lưu ý nó chỉ áp dụng cho các mảng gồm các phần tử giống nhau).
𝐴𝐹 = ∑𝑁𝑛=1𝑒𝑗(𝑛−1)(𝑘𝑑 cos 𝜃+𝛽) Hoặc có thể được viết là:
𝐴𝐹 = ∑𝑁 𝑒𝑗(𝑛−1)𝜓
𝑛=1
𝑉ớ𝑖
𝜓 = 𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝛽
Vì tổng hệ số mảng cho mảng đồng nhất là tổng của cấp số nhân nên nó có thể được biểu diễn bằng tổng vectơ của N phasors mỗi đơn vị biên độ và pha lũy tiến 𝜓 so với pha trước đó. Từ biểu đồ phasor cho thấy biên độ và pha của AF có thể được điều khiển trong các mảng thống nhất bằng cách chọn đúng pha tương đối 𝜓 giữa các phần
soát tổng hệ số mảng.
2.4 Tiếp điện vi sai
Kỹ thuật tiếp điện vi sai ngày càng cho thấy nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống ăng ten khác nhau. Với nhu cầu và xu hướng ngày nay các nhà thiết kế ln dành sự quan tâm lớn đến việc có thể làm giảm kích thước ăng ten một cách tối ưu nhất có thể mà khơng ảnh hưởng đến hiệu xuất của hệ thống ăng ten đó. Ăng ten tiếp điện vi sai có thể loại bỏ sự cần thiết của một balun trong hệ thống đầu cuối RF giúp làm giảm kích thước hệ thống một cách đáng kể và giữ nguyễn các đặc tính khác của hệ thống. Bên cạnh đó các ăng ten nguồn cấp dữ liệu vi sai cũng mang lại những lợi ích to lớn như phân cực chéo thấp hơn, v.v.
Hình 2.20 Ví dụ thiết kế của một ăng ten tiếp điện vi sai
Như hình 2.20 đã nêu ra chúng ta thấy nó được tiếp điện bằng bốn đường microstrip cung cấp tới bốn phần tử bức xạ đơn cực. Ở phía dưới của ăng ten một hình trịn được kht ở chính giữa mặt đất, nếu chúng ta coi điểm chính giữa của ăng ten như một điểm trung tâm thì có thể nói ăng ten hoàn toàn đối xứng. Với sự sắp xếp đối xứng này đảm bảo tính chất bức xạ giống nhau cho cả hai phân cực trong các mặt phẳng tương đương. Để có thể tạo thành 1 phân cực ăng ten cần được tiếp điên tại 2 cổng ví dụ như trong hình 2.20 các cổng 1.1 với 1.2 sẽ tạo thành một phân cực và cổng 2.1 với 2.2 sẽ tạo thành 1 phân cực tương ứng với phân cực ngang và dọc.
Còn đối với trường hợp các cổng được tiếp điện giống nhau có thể xét đến yếu tố biên độ và pha, lúc này ăng ten hoạt động như hai phần tử bức xạ đơn được đặt ở gần nhau. Tiếp điện như vậy sẽ tạo ra 2 búp sóng chính trong một nửa mặt phẳng của ăng ten và đồng thời thu được sự phân cực kém. Ăng ten thể hiện lợi thế của nó khi tín hiệu được đưa đến các cổng thích hợp bị lệch pha. Trong trường hợp này sự tiếp điện đến các cổng đối diện nhau phải bằng nhau về biên độ và lệch pha nhau 180 độ. Một kích thích như vậy được gọi là tiếp điện vi sai của ăng ten.
Quan sát trong hình 2.21 cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về sự phân bố trường được cấp nguồn trong trường hợp cổng 1.1 và 1.2 với các tín hiệu vi sai. Với hình 2.21 bên phía trái có thể thấy hướng của vector điện trường tại hai bên là ngược nhau tạo ra sự lệch pha giữa các tín hiệu là 180 độ, hình ảnh cũng cho có thể thấy các
được kết hợp với nhau giúp sóng được phát ra ở trên và dưới của bề mặt ăng ten.
Hình 2.21 Sơ đồ phân bố điện trường trong ăng ten (trái: cạnh bên; phải: mặt dưới)
Một ưu điểm của tiếp điện vi sai là tâm pha luôn ở giữa các cấu trúc và khơng thay đổi vị trí, sự liên kết của các tâm pha cho cả hai phân cực là một vấn đề quan trọng. Sự chênh lệch giữa các điểm đó dẫn đến các lỗi trong hệ thống hình ảnh, radar và nội địa hóa, khơng phải lúc nào cũng có bù đắp bởi các thuật tốn [17]. Khơng những vậy các vector điện trường tại các đường microstrip với phân cực trực giao được xác định theo phương vng góc với đường microstrip. Sự phân bố trường như vậy khơng thể kích thích một chế độ có thể lan truyền trong dịng microstrip điều này dẫn đến việc cách ly giữa các cổng của ăng ten tốt hơn.
2.5 Lý thuyết ăng ten vi dải
Hình 2.22 Cấu tạo ăng ten vi dải
Ở dạng cơ bản nhất, anten bản vá Microstrip bao gồm một tấm bức xạ với hình thù bất kỳ trên một mặt của chất nền điện mơi có mặt phẳng ở mặt cịn lại như thể hiện
vàng và có thể có hình dạng bất kỳ, tấm bức xạ và các đường tiếp điện thường được khắc trên chất điện mơi.
Để đơn giản hóa việc phân tích và đánh giá kết quả, tấm bức xạ thường có dạng hình vng, hình chữ nhật, hình trịn, hình tam giác, hình elip hoặc một số hình dạng phổ biến khác như trong Hình 2.23 dưới đây. Đối với miếng dán hình chữ nhật, chiều