a-Bộ chia Hybrid.180; b- Bộ chia chữ T
3.2. BỘ CHIA CễNG SUẤT
Cú hai loại bộ chia cụng suất thường gặp: bộ chia Hybrid và bộ chia chữ T. Khoảng cỏch d ở đầu ra của bộ chia cụng suất sẽ đi đến hai cột của antenna và khụng phụ thuộc vào đặc tớnh của mạch dải. Để cú sự cỏch ly giống nhau giữa cỏc đầu ra thỡ cần mạch dải cú hằng số điện mụi cao để tạo ra đường truyền ngắn hơn và mảnh hơn làm thoả món cỏc khụng gian bị giới hạn. Ưu điểm chớnh của Hybrid là cú độ cỏch ly đầu ra tốt, nhưng nhược điểm lại là tỏn xạ, tổn hao điện mụi là cao hơn tổn hao trong bộ chia chữ T. Một điều bất lợi khỏc nữa của Hybrid là cần điện trở phối hợp cho cổng 4 mà sinh ra nhiều tổn hao, gia cụng chế tạo phức tạp và đắt tiền.
Mặt khỏc, Bộ chia chữ T minh hoạ cấu trỳc đơn giản mà yờu cầu tối thiểu khụng gian, cho phộp sử dụng mạch dải cú hằng số điện mụi thấp và linh hoạt trong việc thực hiện chia cụng suất khụng đều để cải thiện mức cỏnh súng phụ của hệ thống antenna. Nhược điểm chớnh của bộ chia cụng suất chữ T là độ cỏch ly cổng ra kộm, khoảng 6dB.
EqnHieu_suat_Hybrid180=sqr(mag(S(2,1)))+sqr(mag(S(3,1)))+sqr(mag(S(4,1))) 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 8.0 11.0 0.4 0.6 0.8 0.2 1.0 freq, GHz H ie u_ su at _H yb ri d1 80
Hỡnh 3.3 - Hiệu suất của bộ chia Hybrid 180
EqnHieu_suat_chu_T=sqr(mag(S(2,1)))+sqr(mag(S(3,1))) 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 8.0 11.0 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 0.94 1.00 freq, GHz H ie u_ su at _c hu _T
Hỡnh 3.4 - Hiệu suất của bộ chia chữ T
8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 8.0 11.0 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 1.2 H ie u_ su at _c hu _T C hi a_ co ng _s ua t.. H yb ri d_ 18 0
Mụ phỏng hiệu suất hai loại bộ chia Hybrid (hỡnh 3.3) và chia chữ T (hỡnh 3.4) trờn phần mềm ADS2008 để đỏnh giỏ hiệu xuất truyền theo như cụng thức (3.5) mà chỳng ta đó xõy dựng. Từ đú sẽ quyết định sử dụng phương ỏn chia nào cho hợp lý.
Kết luận về bộ chia cho ra 2 cổng đối với 2 loại, chia cụng suất theo chữ T và Hybrid 180 : Từ hỡnh 3.5 ta thấy hiệu suất của bộ chia cụng suất theo chữ T là cao hơn Hybrid 180 trong toàn bộ dải tần. Do vậy mà ta sẽ lựa chọn bộ chia cụng suất chữ T để cấp nguồn nuụi cho chấn tử antenna.
3.3. PHÂN BỐ CễNG SUẤT CHO CÁC CHẤN TỬ
Như đó đề cập trước đõy, bỳp súng của antenna phải được nuụi bởi hệ thống cấp nguồn để cho mức cỏnh súng phụ là hợp lý. Sự phõn bố cụng suất trong hệ thống cấp nguồn nuụi chấn tử nờn tạo ra hệ số mảng làm tăng lờn gấp nhiều lần phỏt xạ của cột chấn tử trung tõm giàn.
Xột biờn độ đầu ra của hệ thống cấp nguồn nuụi antenna được cho cụng thức miờu tả như sau đõy:
i 2 N-1 jφ jikdcos(θ) i i=0 AF(θ)= ∑A e e (3.6) Trong đú A là biờn độ của hệ số kớch thớch, i φ là pha của i A , k là hệ sối
truyền k=2π/λ , d là khoảng cỏch giữa cỏc chấn tử, N là số chấn tử.
Hỡnh dạng của giản đồ phỏt xạ phụ thuộc vào phõn bố biờn độ của A vài
vị trớ trờn cỏnh chớnh phụ thuộc vào dịch pha giữa cỏc phần tử φ .i
Sau đõy giới thiệu phương phỏp tớnh toỏn hệ số biờn độ A trờn cơ sởi
phõn bố hàm Trebưsep như sau:
m m-1 m-2
T (z)=2zT (z)-zT (z) (3.7)
Cụng thức trờn cú thể được sử dụng để tỡm đa thức Trebưnsep, nếu đa thức bậc hai đó biết. Tớnh toỏn biờn độ và hệ số mạng được tỡm thấy trong [Balanis 1996]. Phõn bố cụng suất như vậy sẽ được mức cỏnh súng phụ rất tốt, và độ rộng bỳp súng chớnh rất nhỏ.
Tỏc giả Taylor [1953] đó nghiờn cứu phõn bố cụng suất mà tạo ra mức cỏnh súng phụ nhỏ và duy trỡ ở hằng số. Trong ứng dụng rađa điều này được
ưa chuộng, bởi vỡ cỏc tớn hiệu giả sẽ bị suy giảm mạnh bởi cỏc hướng cỏnh súng phụ rất nhỏ. Phõn bố cụng suất dạng Taylor cú dạng như sau:
2 ' ' ' ' 2 1 / 2 / 2 ( ) 0 / 2 o n z J j B l z l l J z z l π − ữ − ≤ ≤ = ≥ (3.8)
Trong đú Jo là hàm Bessel bậc 0, l là toàn bộ chiều dài của hệ thống
antenna, B là hằng số được xỏc định từ mức cỏnh súng phụ cho trước. Ưu điểm của phương phỏp này là cho mức cỏnh súng phụ nhỏ. So sỏnh với phương phỏp phõn phối cụng suất theo Trebưnsep ở cựng mức cỏnh súng phụ thỡ phương phỏp Taylor lớn hơn 12% đến 15% độ rộng bỳp súng chớnh.
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ ĐƠN CHẤN TỬ MẠCH DẢI VÀ ANTENNA MẠCH DẢI
4.1. ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ANTENNA MẠCH DẢI 4.1.1. Ưu điểm của antenna mạch dải
- Cú kớch thước và trọng lượng nhỏ gọn, cú cấu hỡnh mặt phẳng kớn đỏo, nguỵ trang được.
- Chỳng cú thể nhõn bản với số lượng lớn;
- Chỳng dễ dàng được chế tạo bằng cụng nghệ ăn mũn mạch in;
- Chỳng dễ dàng được tớch hợp với thành phần khỏc của hệ thống vụ tuyến trờn cựng một mạch in;
- Chỳng cho phộp cả phõn cực tuyến tớnh và phõn cực trũn;
- Chỳng cú thể được thu lại nhỏ gọn để ứng dụng cho viễn thụng; - Chỳng cú thể cho phộp hoạt động ở tần số gấp 2-3 lần f0.
4.1.2. Nhược điểm của antenna mạch dải
- Dải thụng hẹp;
- Hệ số khuếch đại thấp hơn; - Cụng suất chịu đựng thấp;
Antenna mạch dải cú dải thụng hẹp, khoảng (1-5%) f0 nú là hạn chế chớnh cho ứng dụng rộng dói. Do vậy, để tăng dải thụng của antenna vẫn là vấn đề cấp thiết của cỏc nhà khoa học. Hiện tại người ta cú thể đạt được băng thụng là 70% f0.
4.1.3. Ứng dụng của antenna mạch dải
Do antenna mạch dải nhỏ gọn và cú tớnh chất ngụy trang cho nờn nú cú nhiều ứng dụng trong linh vực quõn sự cũng như dõn sự. Trong lĩnh vực quõn sự nú thường xuyờn được ỏp dụng trong tờn lửa, mỏy bay, rađa cỡ nhỏ, vệ
tinh. Cũn trong lĩnh vực dõn sự thỡ hiện nay đối với tần số cao thỡ antenna mạch dải chiếm tỉ trọng tương đối lớn như: điện thoại di động, cỏc hệ thống viễn thụng, vệ tinh, antenna trang trớ…
4.2. PHƯƠNG PHÁP CHỌN MẠCH DẢI CHO CHẤN TỬ
Như đó đề cập ở trờn, giới hạn của antenna mạch dải là độ rộng băng thụng (BW) thấp. Băng thụng cú thể được định nghĩa từ hệ số súng đứng VSWR hoặc trở khỏng đầu vào. Vỡ vậy, trước khi miờu tả phương phỏp làm tăng băng thụng ta sẽ cú cỏc định nghĩa về băng thụng được miờu tả như sau:
VSWR-1 BW=
Q VSWR (4.1) Trong đú: Q hệ số phẩm chất của mạch
Hệ số súng đứng VSWR=1+Γ
1-Γ , Γ hệ số phản xạ tại vị trớ cấp nguồn nuụi
cho chấn tử antenna; in o in o Z Z Z Z − Γ =
+ , trong đú Zinlà trở khỏng đầu vào của antenna
o
Z là trở khỏng đặc tớnh đường truyền.
Băng thụng BW thường được xỏc định như là miền tần số mà hệ số VSWR <2 tương ứng với tổn hao ngược 9,5 dB hoặc 11% cụng suất phản xạ ngược. Đụi khi cỏc ứng dụng đũi hỏi hệ số VSWR yờu cầu nhỏ hơn 1.5 tương ứng tổn hao ngược 14dB, phản xạ 4% cụng suất.
Sự biến đổi dải thụng BW từ mức hệ số súng đứng này đến hệ số súng đứng khỏc là: 2 1 1 2 1 2 VSWR BW VSWR -1 = . BW VSWR VSWR -1 (4.2) Trong đú BW1, BW2 tương ứng với VSWR1, VSWR2 .
Hỡnh 4.1- Hỡnh dạng antenna Patch
Vớ dụ: ta cho dạng chấn tử antenna mạch dải là hỡnh chữ nhật. Khi đú dải thụng được tớnh gần đỳng bằng biểu thức sau:
o r A.h W %BW= L λ . ε (4.3) Trong đú:
W, L là độ rộng và chiều dài của chấn tử patch, h là chiều cao của mạch dải, εhằng số điện mụi của chất nền.
A = 180 khi o r h 0.045 λ . ε ≤ A=200 khi o r h 0.045 0.075 λ . ε ≤ ≤ A=220 khi o r h 0.075 λ . ε ≥
Từ biểu thức 4.3 ta thấy để tăng được băng thụng cho chấn tử mạch dải thỡ cần:
+ Tăng chiều dày chất nền h + Tăng độ rộng W
+ Giảm hằng số ε
Thụng thường, khi thiết kế chấn tử patch người ta hay quan tõm đến việc lựa chọn mạch dải. Cú nghĩa là liờn quan trực tiếp đến việc lựa chọn hai thụng số h và ε.
Cho vớ dụ,sự thay đổi %BW và hiệu suất η của chấn tử patch khi thay đổi εr hai giỏ trị 2.2 và 10 ta nhận được hỡnh 4.2-a. Khi thay đổi giỏ trị h ta
nhận được hỡnh 4.2-b. Ở đõy ta thấy khi giảm εrta sẽ cú băng thụng rộng hơn,
hiệu suất phỏt xạ lớn hơn, khi tăng chiều cao của chất mạch dải thỡ %BW sẽ rộng hơn.
Trờn hỡnh 4.2 ta cũn thấy khi giỏ trị chuẩn hoỏ giữa chiều cao mạch dải và tần số làm việc h/λo =0.1 với εr=2.2 thỡ %BW=15%. Người ta cú thể chọn
r
ε =1 để làm rộng BW hơn nữa. Tuy nhiờn, khi tăng chiều dày h của mạch dải
thỡ hiệu suất phỏt xạ ηcủa antenna sẽ giảm (4.2-a).
Một cụng thức đơn giản nữa khi tớnh toỏn giải thụng cho chấn tử mạch dải chữ nhật tại hệ số súng đứng VSWR=2 là:
2
BW=50.h.f (4.4)
Hỡnh 4.2 – Hiệu suất chấn tử
a/ Nột liền khi εr=2.2, nột đứt khi εr=10;
Trong đú: BW được tớnh theo đơn vị MHz, tần số là GHz, h là chiều cao của mạch dải,đơn vị tớnh cm.
BW cũng cú thể được định nghĩa dưới dạng tham số tỏn xạ của antenna. Nú được định nghĩa như là miền tần số mà tham sụ tỏn xạ bao gồm hệ số khuếch đại G, độ rộng nửa bỳp súng HPBW, mức cỏnh súng phụ nằm trong phạm vi giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất xỏc định. Định nghĩa này là rất đầy đủ, nú quan tõm tới sự mất phối hợp trở khỏng đầu vào, mà gúp phần thay đổi hệ số khuếch đại.
Biểu thức cho sự tớnh toỏn gần đỳng hệ số định hướng D của chấn tử antenna mạch dải hỡnh chữ nhật là: ) / 6 . 1 log( 10 66 . 0 2 . 0 W r D= + + ε dB (4.5) Từ biểu thức trờn ta thấy nếu εrnhỏ thỡ hệ số định hướng D lớn, suy ra
hệ số khuếch đại G cũng lớn (theo cụng thức 2.8). Ta cú thể giải thớch cỏch khỏc như sau: Từ hỡnh 4.2-a ta thấy nếu εr giảm thỡ hiệu suất phỏt xạ tăng,
nếu hiệu suất phỏt xạ tăng thỡ cụng suất phỏt ra hết ngoài khụng gian khi đú hệ số định hướng D lớn.
4.3. MỞ RỘNG DẢI THễNG CHO CHẤN TỬ MẠCH DẢI
Cỏc tham số vật lý của mạch dải ảnh hưởng đến giải thụng BW của antenna. Tuy nhiờn, sắp xếp chấn tử dải, mạch phối hợp của antenna mạch dải gúp phần quan trọng vào việc tăng dải thụng của antenna lờn đến 70-80% f0.
4.3.1. Mở rộng băng thụng BW bằng thay đổi hỡnh dạng Patch
Patch dạng hỡnh chữ nhật hoặc hỡnh trũn cú thể được sửa thành dạng đường viền khăn hỡnh chữ nhật hoặc hỡnh trũn tương ứng. Việc này cải thiện dải thụng hơn bởi vỡ làm giảm hệ số phẩm chất Q của patch cộng hưởng do năng lượng lưu trữ dưới patch so với đất là tốt hơn và phỏt xạ cao hơn. Khi khoột 1 miếng trong hỡnh patch thỡ dải thụng cú thể tăng 40% vớ hệ số súng đứng VSWR<2.
4.3.2. Nhiều cộng hưởng phẳng
Khung cộng hưởng (hỡnh 4.3),cấu hỡnh này cú thể mang lại dải thụng BW từ 5 đến 25% của f0
Phương phỏp này cú nhược điểm sau:
- Kớch thước lớn khụng phự hợp cho anten mạng;
- Trở khỏng đầu vào của chấn tử thay đổi theo giản đồ bức xạ.
4.3.3. Cấu hỡnh nhiều lớp
Trong cấu hỡnh nhiều lớp, 2 hoặc nhiều patch trờn nhiều lớp khỏc nhau của chất điện mụi được xếp chồng lờn nhau. Cỏc patch này được ghộp từ trường với nhau. Ở đõy được chia làm hai loại là ghộp từ trường hoặc ghộp khe hở.
Ghộp từ trường
Trong ghộp từ trường một hoặc nhiều patch ở cỏc lớp khỏc nhau được ghộp từ trường tới cỏc vị trớ nuụi feed ở cỏc lớp điện mụi dưới. Một trong cỏc patch và patch khỏc được ghộp từ trường. Cỏc patch cú thể được tạo ra từ cỏc điện mụi khỏc nhau. Cỏc tần số cộng hưởng của patch gần nhau để thu được
Hỡnh 4.3- a/ 3 khung cộng hưởng dọc theo cạnh phỏt xạ, b/ 3 khung cộng hưởng ghộp dọc theo cạnh khụng phỏt xạ,
Mặt phản xạ Mặt đất cú khe hở Đường cấp nguồn
Hỡnh 4.5 - Cấu hỡnh nhiều lớp ghộp dạng khe hở
dải thụng rộng hơn. Phương phỏp này cho dải thụng 15 đến 30%.Patch được cấp nguồn hỡnh 4.4.
Ghộp khe hở
Trong ghộp khe hở trường được ghộp từ đường cấp nguồn lờn trờn mặt kia của mặt đất đến mặt phỏt xạ thụng qua một khe nhỏ trờn mặt đất. Trờn hỡnh 4.5 người ta cố ý chọn hai hằng số điện mụi ở mặt phản xạ và đường cấp nguồn là khỏc nhau mục đớch là để tối ưu cỏc đặc tớnh riờng. Việc ghộp tới mặt phản xạ từ nguồn nuụi cú thể đạt lớn nhất bằng cỏch chọn kớch thước tối ưu của khe hở trờn mặt đất. Hai tấm phản xạ hỡnh chữ nhật hoặc hỡnh trũn xếp chồng lờn nhau cú thể mang lại dải thụng 30%f0 . Cũn sẽ thu được 70%f0 nếu xếp mặt phản xạ cộng hưởng với khe hở.
Hỡnh 4.4 - a/ Patch dưới được cấp nguồn b/ Patch trờn được cấp nguồn
Hỡnh 4.7 - Mụ hỡnh antenna mạch dải dạng loga chu kỡ
4.3.4. Phối hợp trở khỏng làm tăng giải thụng
Phối hợp trở khỏng (hỡnh 4.6) được sử dụng để làm tăng dải thụng của antenna mạch dải. Một số vớ dụ cú thể tạo ra 10% BW cho chấn tử hỡnh chữ nhật kết hợp với mạng phối hợp đồng phẳng hoặc ghộp điện từ trường với cỏc đầu phối hợp.
Tuy nhiờn với phương phỏp này đụi khi cú nhược điểm là mạng phối hợp cũng tham ra vào quỏ trỡnh phỏt xạ khụng mong muốn
4.2.5. Cấu hỡnh loga chu kỡ
Khỏi niệm về anten loga chu kỳ trờn mạch dải đó từng được ứng dụng mang lại dải thụng rất rộng (vài lần của 12.5%f0). Trong cấu hỡnh này kớch
Hỡnh 4.6 - Mở rộng dải thụng bằng phương phỏp phối hợp
Mạng phối hợp trờn cựng lớp layer với chấn tử Mạng phối hợp được ghộp điện từ trường qua cỏc layer khỏc nhau
Mặt phản xạ Chất điện mụi Mặt đất
Hỡnh 4.8 - Cấu hỡnh anten patch
thước của patch được tăng theo hàm loga và patch sau được cấp nguồn ngược pha 180 độ so với patch trước. Nhược điểm của phương phỏp này là giản đồ cỏnh súng thay đổi đỏng kể trờn băng thụng trở khỏng.
4.4. THIẾT KẾ CHẤN TỬ ĐƠN ANTENNA MẠCH DẢI4.4.1 Cấu hỡnh antenna patch 4.4.1 Cấu hỡnh antenna patch
Anten patch đó được chế tạo từ những năm 1970. Nú bao gồm mặt phản xạ. Mặt phản xạ cú cỏc loại cấu trỳc hỡnh học như: hỡnh chữ nhật, hỡnh vuụng, hỡnh elip, hỡnh vành khuyờn. Mặt phản xạ này nằm trờn chất điện mụi và đối diện với nú là mặt đất. Hỡnh dạng của anten patch cú thể được xem ở hỡnh 4.8. Nhỡn chung chất điện mụi thường chọn hằng số điện mụi thấp
Cỏc thụng số đại diện cho cấu trỳc hỡnh học của anten patch là chiều dài L và chiều rộng của patch (4.9). Chiều rộng phải nhỏ hơn bước súng hoạt động của antenna.
Bảng 4.1 - Đỏnh giỏ ưu, nhược điểm của anten patch S
Stt ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM
1 1
Trọng lượng và khối lượng nhẹ, Dễ ngụy trang,chi phớ sản xuất thấp
Dải thụng hẹp
2 2
Áp dụng tốt cho cỏc phương tiện