4.3. ANTEN VI DẢI BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG (UWB)
4.3.1. Đặc trưng của anten trong hoàn cảnh băng thông siêu rộng
Thông thường băng thông của anten nói chung được định nghĩa là dải tần số mà trên đó, đặc tính quan trọng của anten như: đồ thị phương hướng, trở kháng vào của anten, hệ số định hướng… là nằm trong một giới hạn nhất định, ít thay đổi. Đối với anten mạch vi dải, loại anten này có một yếu điểm lớn là hiệu suất bức xạ rất bé do đó, băng thông của loại anten này thường được giới hạn theo hệ số sóng đứng VSWR. Cụ thể băng thông của anten vi dải là:
= (4.43)
Trong đó BW là băng thông, Q là hệ số chất lượng của anten. Đối với anten vi dải băng rộng, thường thì BW được xem là dải tần mà trên đó, hệ số sóng đứng bé hơn
2 (một số ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn là 1.5) tương ứng với tổn hao RL = 9.5dB hay 11% công suất bị phản xạ. Định nghĩa băng thông nói trên là áp dụng cho sóng phân cực tuyến tính. Trong trường hợp phân cực tròn, tỉ số trục (axial ratio) là một yếu tố cần xem xét khi định nghĩa băng thông. Ví dụ băng thông là dải tần (đối với sóng phân cực tròn) mà tỉ số AR bé hơn 3dB. Tuy vậy, định nghĩa băng thông theo hệ số sóng đứng VSWR vẫn là định nghĩa thông dụng nhất, và từ đây trở về sau, ta xét khái niệm băng thông theo định nghĩa này. Trong hệ thống UWB, băng thông của anten cũng được hiểu như trên.
4.3.1.2. Đồ thị phương hướng
Để đạt được băng thông siêu rộng từ 3.1 tới 10.6 GHz hầu hết tất cả các loại anten vi dải UWB đều buộc phải có hơn một mode sóng. (Khái niệm mode sóng hay cấu hình trường được đề cập ở mục 4.2.3.1). Anten loại này trường hợp ít nhất cũng phải có 2 mode sóng, thông thường là 3 đến 4 mode sóng, thậm chí có thể còn nhiều hơn. Điều này là khá dễ hiểu bởi lẽ anten hoạt động ở một mode sóng duy nhất là loại anten hoạt động ở chế độ cộng hưởng. Đây cũng là trường hợp của loại anten băng hẹp truyền thống. Ví dụ đơn giản nhất chính là chấn tử nửa sóng. Vì hoạt động ở chế độ cộng hưởng nên băng thông (dải tần xung quanh tần số cộng hưởng) là hẹp. Do đó để có được băng thông rộng hơn thì buộc anten phải có nhiều mode sóng tức tương ứng có nhiều tần số cộng hưởng, khi các tần số cộng hưởng này ở gần nhau ta có một anten băng thông rộng. Điều đáng nói ở đây là: việc có nhiều mode sóng đã khiến cho đồ thị phương hướng của anten bị biến đổi mạnh theo tần số. Nguyên nhân là mỗi mode sóng là một nghiệm của hệ phương trình Maxwell, mỗi nghiệm của hệ phương trình Maxwell sẽ cho ta một phân bố trường (E,H). Khi anten có nhiều mode sóng thì phân bố trường là tổ hợp của phân bố trường của từng mode sóng. Do đó phân bố trường tổ hợp sẽ phụ thuộc vào mode sóng, tức phụ thuộc vào tần số. Và như thế đồ thị phương hướng của anten sẽ phụ thuộc vào tần số.
Luận điểm vừa nêu trên khiến cho việc thiết kế anten vi dải băng siêu rộng gặp có
dải tần siêu rộng cỡ 7.5 GHz của UWB là rất khó, nếu không muốn nói là không khả thi. Tuy vậy, ứng dụng của UWB phần lớn là truyền thông không dây tốc độ cao ở phạm vi ngắn như mạng WPAN chẳng hạn (phạm vi 10m). Trong những ứng dụng như thế môi trường (chính xác là kênh) chắc chắn sẽ chịu hiệu ứng phân tập đa đường (multipath) (Xem thêm phần 3.3 của chương 3). Trong môi trường phân tập đa đường, tín hiệu từ máy phát có nhiều con đường để tới máy thu, không nhất thiết phải là đường nhìn thẳng (LOS Light Of Sight) do đó không đòi hỏi - anten phải có đồ thị phương hướng cố định. Vả lại, còn một nguyên nhân khác quan trọng không kém để đồ thị phương hướng của anten UWB không nhất thiết phải cố định.
Một thị trường rất tiềm năng của ứng dụng UWB là những thiết bị giải trí đa phương tiện cầm tay. Do tính chất “cầm tay” tức tính di động của thiết bị nên đồ thị phương hướng của anten chắc chắn bị thay đổi. (Vị trí tương đối giữa anten phát và anten thu thay đổi nên đồ thị phương hướng của anten này so với anten kia cũng thay đổi). Trong trường hợp này, một lần nữa hiện tượng phân tập đa đường cũng bảo đảm cho hệ thống có thể truyền thông vì như đã nói, tín hiệu có nhiều đường để tới máy thu chứ không phải mỗi tầm nhìn thẳng. Như vậy ta có thể kết luận trong những thiết bị cầm tay hoạt động trong môi trường chịu tác động của hiện tượng phân tập đa đường thì mục tiêu thiết kế đồ thị phương hướng là có dạng đẳng hướng phẳng (omnidirectional) chứ không nhất thiết phải cố định trên toàn bộ dải tần hoạt động. Ở đây ta phân biệt khái niệm đẳng hướng phẳng (omnidirectional) với đẳng hướng không gian (isotropic). Anten có đặc tính omnidirectional là anten bức xạ đẳng hướng trên một mặt phẳng (bức xạ đều theo mọi hướng trên mặt phẳng) và bức xạ có hướng trên mặt phẳng khác, thường xét mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng này. Anten isotropic là bức xạ đẳng hướng trong không gian tức bức xạ đều theo mọi hướng trong không gian. Lý do để đồ thị phương hướng của anten UWB nên đẳng hướng phẳng là để có thể thu được nhiều nhất các thành phần đa đường đi tới anten với nhiều hướng khác nhau.
4.3.1.3. Trở kháng vào của anten UWB
Như ta đã biết anten băng hẹp truyền thống hoạt động ở chế độ cộng hưởng mà một ví dụ đơn giản là anten chấn tử nửa sóng. Loại anten này hoạt động theo cơ chế nửa bước sóng, tức tại tần số mà bước sóng tương ứng gấp đôi kích thước điện của anten thì trở kháng của anten có phần ảo tiến tới 0. Chú ý ta dùng thuật ngữ kích thước điện (electrical size) để phân biệt với kích thước vật lý của anten. Kích thước vật lý là kích thước thông thường của anten mà ta nhìn thấy. Tuy vậy vì một vài hiệu ứng, như hiệu ứng đường viền (fringing) đã trình bày ở .2.2.1 chẳng hạn buộc 4 ta phải hiệu chỉnh kích thước vật lý để được kích thước điện là kích thước tham gia như một thông số của quá trình tương tác điện từ của anten. Nói một cách khác, nhìn dưới góc độ tương tác điện từ, anten sẽ đặc trưng bởi kích thước điện, vì đây là kích thước xác định những qui luật tương tác điện từ chứ không phải là kích thước vật lý. Nếu ta muốn dùng kích thước vật lý của anten, những qui luật tương tác điện từ nói trên không còn đúng nữa, buộc lòng ta phải hiệu chỉnh và được kích thước điện.
Anten UWB hoạt động ở nhiều chế độ cộng hưởng khác nhau nhằm có thể đạt được dải tần siêu rộng. Tuy vậy, tại chế độ cộng hưởng, trở kháng của anten cũng không nhất thiết phải có phần ảo bằng 0. Thay vào đó, đồ thị trở kháng vào của anten vi dải UWB sẽ xuất hiện vòng lặp (loop). Nếu anten thể hiện một sự phối hợp trở kháng tốt tại dải tần này tức có hệ số sóng đứng VSWR < 2 thì trên đồ thị trở kháng, vòng lặp này sẽ nằm trong vòng tròn có hệ số sóng đứng không đổi = 2. Xu hướng tạo vòng lặp trên một dải tần nào đó quanh một tần số chứng tỏ trở kháng của anten có biên độ đạt cực trị. Cụ thể hơn, nó chứng tỏ trở kháng của anten giảm theo tần số tới một tần số nào đó thì đạt cực tiểu, sau đó lại tăng dần và đi ra xa vùng có VSWR =2. Tại tần số ấy và trên dải tần mà trở kháng vào của anten tạo vòng lặp ta có một chế độ cộng hưởng.
Tóm lại, nếu trở kháng vào của anten băng hẹp tại tần số nào đấy có phần ảo của trở kháng triệt tiêu thì ta xác định đó là một tần số cộng hưởng thì trong anten UWB trở
4.3.1.4. Hệ số tăng ích
Hệ số tăng ích là một thông số quan trọng của anten vì nó vừa thể hiện được tính định hướng của anten vừa thể hiện được hiệu suất bức xạ của anten. Tuy vậy khi đi từ hệ thống băng hẹp sang hệ thống băng thông siêu rộng, ảnh hưởng của hệ số tăng ích cần phải nghiên cứu kĩ lưỡng hơn. Cụ thể trong hệ thống băng hẹp hoạt động quanh dải tần cộng hưởng nào đấy rất hẹp, trong dải này phối hợp trở kháng là tốt,mặt khác đồ thị phương hướng ít biến đổi do đó hệ số tăng ích là ít thay đổi và ta có thể xem hệ số tăng ích không phụ thuộc vào tần số. Vì hệ số tăng ích ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ của các thành phần của phổ tín hiệu (khi dùng biến đổi Fourier xét tín hiệu trên miền tần số) nên nếu hệ số tăng ích không phụ thuộc vào tần số thì biên độ các thành phần này xem là ít thay đổi so với nhau do đó tín hiệu tổng hợp xem như không bị méo dạng. Trong anten UWB, trên một dải tần rộng cỡ hàng GHz với sự xuất hiện của nhiều mode sóng và vì đồ thị phương hướng biến đổi mạnh do đó tất yếu hệ số tăng ích cũng bị biến đổi mạnh. Sự phụ thuộc của hệ số tăng ích theo tần số khiến cho tín hiệu đi qua anten bị méo dạng rất mạnh. Bởi lẽ, trên miền tần số, tín hiệu UWB trải dài trên cỡ hàng GHz, do hệ số tăng ích phụ thuộc vào tần số nên biên độ của cách thành phần tần số bị biến đổi rất mạnh, dẫn đến khi tổ hợp lại, tín hiệu bị méo dạng rất đáng kể. Làm thế nào để có hệ số tăng ích tương đối ổn định là một tiêu chí cần xem xét trong quá trình thiết kế anten.