Các thông số quan trọng khi thiết kế anten vi dải

2.3 Lý thuyết Patch antenna [7]

2.3.5 Các thông số quan trọng khi thiết kế anten vi dải

Các thông số quan trọng cần quan tâm khi thiết kế anten vi dải bao gồm:

2.3.5.1 Trở kháng vào

Hình 2.13 Mạch tương đương cho hệ thống anten. [7]

Trở kháng vào (Input Impedance) của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng, là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten.

A

A A A

A

Z U R jX

 I   (2.28)

Với: RARLRr

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.

Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

A A

Ae

R P

 I (2.29)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định, vì vậy để có thể

truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.

2.3.5.2 Băng thông

Băng thông (Bandwidth) của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất.

Hạn chế lớn nhất của anten vi dải là băng thông hẹp. Băng thông có thể được xác định dựa vào hệ số điện thế sóng đứng (VSWR) hay trở kháng ngỏ vào thay đổi theo tần số. VSWR hay trở kháng băng thông anten vi dải được xác định trong dải tần số mà nó phối hợp trở kháng với đường cấp nguồn nằm trong giới hạn cụ thể. Do đó BW của anten vidải tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q:

BW VSWR 1

Q VSWR

  (2.30)

Băng thông thường được xác định rõ trong dải tần số mà VSWR nhỏ hơn 2 (tương ứng với suy hao phản xạ là 9.5dB hay 11% công suất phản xạ).

Đôi khi đối với các ứng dụng nghiêm ngặt thì đòi hỏi VSWR phải nhỏ hơn 1.5 (tương ứng với suy hao phản xạ là - 14dB hay 4% công suất phản xạ). Trong trường hợp một anten vi dải có trở kháng ngỏ vào và trở kháng nguồn được sử dụng như một tham số trung gian để xác định tham số S11 (đo hệ số phản xạ), suy hao phản xạ, tỉ số sóng đứng (VSWR), và băng thông. Suy hao phản xạ được biểu diễn là dB theo S11 vì suy hao phản xạ có giá trị âm. Băng thông cũng có thể được xác định theo các tham số bức xạ của anten như độ lợi, độ rộng chùm nửa công suất, và các búp phụ nằm trong giới hạn xác định.

2.3.5.3 Hệ số định hướng

Theo IEEE, hệ số định hướng của anten được định nghĩa là tỉ số giữa cường độ bức xạ của một hướng cho trước với cường độ bức xạ trung bình của mọi hướng. Cường độ bức xạ trung bình thì tương ứng với tổng công suất bức xạ của anten chia cho 4π.

0 r

4 Pad

D U U

   (2.31)

Nếu hướng không được xác định thì mặc định hệ số định hướng sẽ chỉ hướng cực đại:

max max

max 0

0 r

4 Pad

U U

D D

U

    (2.32)

Với D : hệ số hướng tính (vô hướng).

D0 : hệ số hướng tính cực đại (vô hướng).

U : cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối).

Umax : cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc khối).

U0 : cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc khối).

Prad : tổng công suất bức xạ (W) Hệ số định hướng sẽ cho chúng ta biết được trạng thái năng lượng bức xạ của anten được phát đi trong một hướng là như thế nào.

2.3.5.4 Độ lợi

Một thông số quan trọng dùng để mô tả hiệu suất của anten đó chính là độ lợi (Gain). Độ lợi có mối quan hệ mật thiết với hệ số định hướng, nó được đưa vào để tính toán hiệu suất của anten. Khi nói về độ lợi, người ta thường xét đến 2 khái niệm:

Độ lợi tuyệt đối của anten ( theo 1 hướng cho trước) được định nghĩa như

là tỉ số của của cường độ bức xạ trên cường độ bức xạ đo được nếu công suất nhận bởi anten được bức xạ vô hướng.

intensity ( , )

4 4

( )

radiation U

gain Total input accepted power Pin

   

  (2.33)

Độ lợi tương đối của anten (ở một hướng cho trước) được định nghĩa là tỉ số độ

lợi công suất của ở hướng cho trước trên độ lợi công suất của anten tham khảo ở hướng đó.

Trong hầu hết trường hợp anten tham khảo là anten vô hướng không tổn hao:

 ( , )   

4

in

G U demensionless

P lossess isotropic source

  

 (2.34)

2.3.5.5 Suy hao phản xạ, tỉ số điện thế sóng đứng

Tỉ số điện thế sóng đứng có thể tính bởi công thức như sau:

1 | | 1 | |

VSWR  

   (2.35)

Với r in s

i in s

Z Z

V

V Z Z

   

 (2.36)

Trong đó,  là hệ số phản xạ, Vr là biên độ của sóng phản xạ, Vi là biên độ của sóng tới. VSWR dùng để đo sự phối hợp trở kháng giữa anten và hệ thống cấp nguồn. Hệ số VSWR càng cao thì sự phối hợp trở kháng càng thấp.

Khi VSWR là 1 thì phối hợp trở kháng xãy ra hoàn toàn.

Suy hao phản xạ được tính như sau:

20 log | | ( )

RL   dB (2.37)

Trong ứng dụng thực tế thì VSWR = 2 là chấp nhận được vì nó tương ứng với RL = 9.54 dB. Thông thường suy hao phản xạ nằm trong khoảng từ 10÷12dB là có thể chấp nhận được.

2.3.5.6 Đồ thị phương hướng:

Đồ thị phương hướng của 1 anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác định tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách đồng dạng.

Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten.

Hình 2.14 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và trong không gian 3 chiều

2.3.5.7 Hiệu suất anten

0 r c d

e e e e (2.41)

Trong đó:

e0: hiệu suất tổng cộng

er: hiệu suất phản xạ= 1-|Г|2

ec:hiệu suất dẫn

ed: hiệu suất điện môi