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
bay như tờn lửa, vệ tinh… Tổn hao do điện mụi 3
3
Dễ ràng tạo ra phõn cực trũn hoặc tuyến tớnh bằng cỏch cấp nguồn ở cỏc vị trớ nào đú
Hệ số khuếch đại kộm hơn chấn tử dipole 4 4 Cú thể sử dụng được 2 band trờn 1 antenna Độ cỏch ly giữa mặt phỏt xạ và cấp nguồn kộm. 5 5 Dễ ràng tớch hợp linh kiện bỏn
dẫn vào anten (Anten tớch cực) Cụng suất chịu đựng kộm 6
6
Đường nguồn nuụi, mạch phối hợp, mặt phỏt xạ đều được chế tạo trờn 1 tấm nền điện mụi.
Tuy nhiờn đối với antenna patch hỡnh chữ nhật thỡ chiều rộng W cú thể so sỏnh được với bước súngλ để nhằm nõng cao khả năng phản xạ của trường điện từ trờn toàn bộ cạnh W. Chiều dày của mạch dải phải nhỏ hơn bước súng. Với chấn tử patch hỡnh chữ nhật được xem xột phõn tớch là cấu hỡnh mặt phẳng 2 chiều. Đối với súng TM10, chiều dài L nờn nhỏ hơn đỏng kể l/2, l là bước súng trong điện mụi. (l l= o/ εe ), trong đú lolà bước súng trong khụng gian tự do, εelà hằng số điện mụi hiệu dụng.
1/2 1 1 10 1 2 2 W r r e h ε ε ε − + − = + + (4.6)
Với súng TM10 trường thay đổi ẵ chu kỳ dọc theo chiều dài L của chấn tử patch. Và ở đú khụng cú sự thay đổi theo chiều rộng W (Hỡnh 4.10)
Sự thay đổi điện ỏp dọc theo chiều rộng, cũn sự thay đổi dũng điện xảy ra dọc theo chiều dài của chấn tử. Dọc theo chiều rộng của chấn tử điện ỏp đạt giỏ trị cực đại cũn dũng điện đạt giỏ trị cực tiểu do hở mạch đầu cuối.
Quan sỏt trờn hỡnh 4.11 ta thấy trường E được phõn bố theo chiều đứng (chiều từ mặt đất lờn chấn tử) tại vị trớ hai đầu đối diện nhau theo chiều rộng của chấn tử. Vỡ vậy, cạnh W được gọi là cạnh phỏt xạ, và cạnh L là khụng phỏt xạ. Trường dọc theo chiều rộng W được biểu diễn như là khe phỏt xạ, xem hỡnh 4.12
Chấn tử patch hỡnh chữ nhật hoạt động ở súng TM10 cú thể được hỡnh dung như là đường truyền dải, bởi vỡ trường là đồng dạng dọc theo chiều rộng W và biến đổi hỡnh sin theo chiều dài L. Trường phỏt xạ từ khe theo chiều
Hỡnh 4.10 - Sự biến đổi điện ỏp và dũng điện trờn chấn tử patch
Hỡnh 4.11 - Phõn bố trường E trong chấn tử patch
Khe phỏt xạ
Hỡnh 4.12 - Khe phỏt xạ của chấn tử patch
rộng cú thể mụ tả bằng một mạch điện tương đương, trong đú cú thành phần tụ và điện trở phỏt xạ tương ứng như hỡnh 4.13 sau đõy:
Để tớnh trường ở khe chiều rộng, Ta thay cho việc thờm tụ điện ở cạnh chiều rộng W. Nếu trường dọc theo chiều dài L là được bỏ qua thỡ giỏ trị tụ của hai mặt song song sẽ là:
o r
WL C=ε .ε .
h (4.7) Giỏ trị tụ hiệu dụng được tớnh như sau:
o r W L C =ε .ε . h e e e (4.8) Trong đú We và Lelà kớch thước hiệu dụng được tớnh như phương trỡnh sau đõy: 2 W W 2 W e e L = + ∆L L = + ∆ (4.9) L
∆ và ∆Wlà thành phần mở rộng dọc theo cỏc chiếu L và W tương ứng. Với W>>h ta cú biểu thức sau:
e
h L
ε
∆ = (4.10)
Chiều dài hiệu dụng bằng ẵ bước súng trong mạch dải: 2 2 2 o e e o e c L L L f λ ε ε = + ∆ = = (4.11) L
∆ biết ở cụng thức (4.10), thay vào (4.11) ta sẽ tỡm được chiều dài vật lý L thực sự của chấn tử patch khi cho tần số fo.
Khi cho trước L, từ cụng thức 4.11 ta cú thể tỡm được tần số cộng hưởng của patch theo cụng thức sau:
15 o e e f L ε = (4.12)
Trong đú fo đơn vị là GHz, Lelà đơn vị cm.
Nhỡn chung tần số cộng hưởng của patch anten ở chế độ súng TMmn cú cụng thức tổng quỏt như sau:
1/2 2 2 W 2 o e c m n f L ε = ữ + ữ (4.13)
Để tớnh giỏ trị hằng số điện mụi hiệu dụng thỡ giỏ trị W nờn biết trước. Chiều rộng W thường lấy theo biểu thức sau:
1 2 2 real o c W f ε = + (4.14)
Giỏ trị W cú thể được lấy nhỏ hơn giỏ trị thu được bởi phương trỡnh 4.14. Nếu W nhỏ hơn thỡ dải thụng BW và hệ số khuếch đại sẽ giảm. Nếu W lớn hơn thỡ BW sẽ tăng do tăng trường phỏt xạ, và hệ số KĐ cũng tăng do tăng diện tớch khe phỏt xạ. Tuy nhiờn, nếu mà W quỏ lớn thỡ sẽ xuất hiện cỏc chế độ súng khỏc, khụng phải là TM10 nữa.
4.4.2. Cỏc bước thiết kế anten patch
Với mụ hỡnh anten patch nghiờn cứu ở phần trờn, sau đõy là 11 bước để tiến hành việc thiết kế một chấn tử patch.
Bước 1: Tỡm độ rộng W và chiều dài L của chấn patch
Bước đầu tiờn là lựa chọn chất điện mụi cú hằng số điện mụi và chiều cao h phự hợp. Trờn thị trường cú 3 chất điện mụi thụng dụng là:
+ Rexolite (ε = 2,6) + RT duroid (ε = 2,2)
+ Alununa (ε = 9,8)
Như phõn tớch ở cỏc phần trờn ta chọn loại RT5880 cú cỏc tham số sau đõy: +εr=2.2 + h= 31 mil (0.787mm) +tanδ =0.0009 + t=1oz (35μm) O 0 0 c 2 W= . ε+1 2fε μ (4.15) Trong đú: o f : tần số cộng hưởng r ε : hằng số điện mụi 0 ε =8,9. 10-12 c2/Nm2 0 μ =4π10−7Tm/A
Khi tỡm được giỏ trị W ta tỡm giỏ trị điện mụi hiệu dụng như sau:
1/2 1 1 10 1 2 2 W r r e h ε ε ε − + − = + + (4.16)
Khi tỡm được giỏ trị điện mụi hiệu dụng ta tỡm giỏ trị L
eff 0 0
L= -2ΔL
2fεo ε μ
c
(4.17) Trong đú ∆L được tớnh như sau:
( 0,3)( 0, 264) 0, 412 ( 0, 258)( 0,8) eff eff L h h h ε + +