4.1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI
4.1.3. Đặc điểm cấu tạo
Cấu tạo đơn giản nhất của anten vi dải chỉ là một phiến kim loại (patch hay strip) rất mỏng ( độ dày t<< λ0, với λ0là bước sóng trong không gian tự do) đặt trên một mặt của tấm điện môi, mặt kia là màn chắn kim loại hay còn gọi là mặt phẳng nối đất (mặt phẳng ground) Tấm điện môi cũng có bề dày h rất bé so với bước sóng (0.003 . λ0<h<0.005 λ0). Lớp kim loại chính là phần tử bức xạ sóng điện từ, nó có chiều rộng W và chiều dài L. Giống như nguyên tắc bức xạ của anten nửa sóng, độ dài L có giá trị cỡ λe/2 và thường là λe/3<L< λe. Ở đây λelà bước sóng hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi khác với λ0 là bước sóng trong không gian tự do. Thông thường, anten vi dải được thiết kế sao cho hướng bức xạ cực đại là vuông góc với tấm kim loại. Điều này là dễ hiểu vì mặt phẳng nối đất được xem như là mặt dẫn điện lý tưởng sẽ phản xạ toàn bộ sóng điện từ phát ra đi tới bề mặt của nó. Tuy vậy, hướng dọc trục vẫn có thể thực hiện được nhờ cắt một phần mặt phẳng nối đất chẳng hạn. Hướng bức xạ của tấm kim loại phụ thuộc vào mode sóng điện từ được chọn khi thiết kế. Và anten vi dải có thể bức xạ nhiều mode sóng khác nhau. Mode
dạng tấm patch được nghiên cứu và đề xuất. Hình sau mô tả một anten vi dải đơn giản có patch hình chữ nhật và tiếp điện bằng đường feedline.
Hình 4.1 Cấu tạo một antenvi dải chữ nhật đơn giản
Phiến kim lo i ạ
Phiến kim loại có thể là hình vuông, chữ nhật tròn, elip, kim cương… và nhiều , hình dạng khác đang được nghiên cứu.Trong đó, hình dạng vuông, chữ nhật, dipole (chấn tử) hay tròn là được sử dụng rộng rãi nhất bởi sự đơn giản trong phân tích và chế tạo, đặc tính bức xạ rất tốt, đặc biệt là ít bức xạ phân cực ngang. Hình dạng chấn tử rất được quan tâm vì nó có băng thông lớn và kích thước khá bé, thế nên thích hợp để làm phần tử cho anten dãy (array anten) vi dải. Hình sau mô tả một số hình dạng thông dụng của phiến kim loại
Hình 4.2 Một số hình dạng của phiến kim loại patch
Lớp đế điện môi
Hằng số điện môi của tấm điện môi có thể nằm trong khoảng từ 2.2 er 12, thậm chí có khi còn thấp hơn. Đối với anten đòi hỏi băng thông rộng và hiệu suất bức xạ cao thì cấu hình thường dùng sẽ là điện môi dày với hằng số điện môi lớn. Tuy vậy, nhược điểm của cấu hình này là độ dày của anten sẽ tăng, không thích hợp với ứng dụng đòi hỏi anten phải kích thước nhỏ và mỏng.
4.1.3.2. Phương pháp tiếp điện
Phương pháp tiếp điện (feeding method) cho anten vi dải rất đa dạng, có thể xếp theo hai nhóm chính: tiếp điện trực tiếp (có sự tiếp xúc bằng kim loại với tấm kim loại bức xạ) hoặc tiếp điện gián tiếp (thông qua cảm ứng điện từ). Anten vi dải có thể được tiếp điện trực tiếp bằng đầu dò đồng trục (coaxial probe) hoặc bằng đường vi dải (microstrip line). Tiếp điện gián tiếp có thể là ghép nối điện từ (electromagnetic coupling) hoặc ghép nối qua khe (aperture coupling) hoặc tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide feed). Cần phải nhấn mạnh rằng kĩ thuật tiếp điện ảnh hưởng trực tiếp tới trở kháng vào của anten và do đó ảnh hưởng tới đặc tính của anten như băng thông và là một thông số quan trọng khác.
1. Phương pháp tiếp điện trực tiếp
Đầu dò đồng tr c: ụ Đầu nối đồng trục được hàn vào phiến kim loại như hình dưới và đục xuyên qua lớp điện môi, đầu ra m t kia c a lở ặ ủ ớp điện môi, t c màn ứ
chắn kim loại và được cắm vào một connector thường có tr ở kháng 50 ohm. Ưu điểm của phương pháp này là đầu dò có th t b t kì v trí nào trong vùng di n ể đặ ở ấ ị ệ tích c a phi n kim loủ ế ại patch và do đó dễ dàng điều chỉnh trở kháng vào của anten.
Nhược điểm là c n phầ ải đụ ỗ qua đế điệc l n môi, m t khác ph n m i n i (connector) ặ ầ ố ố s trẽ ồi lên màn chắn kim loại và làm mất tính phẳng của màn chắn kim loại (ảnh hướng nhi u t i s b c xề ớ ự ứ ạ, khó phân tích và đưa ra lời gi i cho mô hình b c x ả ứ ạ chính xác vì nó làm điều ki n biên tr nên r t ph c tệ ở ấ ứ ạp). Đồng th i, v trí b t kì c a ờ ị ấ ủ đầu nối đồng trục (để đạt được tr kháng vào mong muở ốn) cũng làm mất tính đối x ng c anten ứ ủa và do đó làm mất đi tính đố ứi x ng của đồ ị phương hướ th ng.
Hình 4.3 Tiếp điện đồng trục
Đường vi d i: ả Trong phương pháp này, một đường vi dải được khắc trực tiếp lên đế điệ n môi và n i li n v i phi n kim lo i patch. B i th , c u trúc t ng th c a ố ề ớ ế ạ ở ế ấ ổ ể ủ anten vẫn là phẳng. Nhược điểm của phương pháp là sự ứ b c xạ ừ đườ t ng vi dải làm ảnh hưởng tới đồ ị phương hướ th ng.
Hình 4.4 Tiếp điện dùng đường tiếp điện vi dải
Với những ant en thiết kế cho UWB, xu hướng chung để tăng băng thông là tăng tăng độ dày của tấm điện môi. Tuy vậy điều này làm phát sinh yếu điểm của phương pháp tiếp điện trực tiếp nói ở trên. Cụ thể, khi tấm điện môi dày hơn, thì đầu dò đồng trục cũng dài hơn và dẫn tới khó phối hợp trở kháng đầu vào (do trở kháng vào có tính điện kháng hơn). Đối với phương pháp tiếp điện đường vi dải, tấm điện môi dày lên cũng đồng nghĩa với việc đường vi dải bức xạ nhiều hơn (là bức xạ không mong muốn). Để khắc phục những khó khăn này, giải pháp tiếp điện gián tiếp được đưa ra.
2. Các phương pháp tiếp điện gián tiếp
Ghép nối điện từ (hay còn gọi là ghép nối gần (proximity coupling)): Trong phương pháp này, đường tiếp điện vi d i n m gi a phi n kim lo i b c x và màn ả ằ ở ữ ế ạ ứ ạ chắn kim lo i. ạ Ngăn cách giữa đường tiếp điện và hai thành ph n nói trên là hai t m ầ ấ điện môi có th có h ng s n môi khác nhau: m t cho phi n kim lo i patch và cái ể ằ ố điệ ộ ế ạ kia cho đường tiếp điện vi d i; hai tả ấm điện môi này có thể được chọn để nâng cao hiệu năng cho từng thành phần (patch hoặc đường tiếp điện) và từ đó nâng cao hiệu năng cho toàn bộ anten. Nhược điểm của phương pháp này là hai lớp cần được b ố trí h p lý (ví dợ ụ, đường tiếp điện cần n m giằ ữa tấm patch để ạo nên đồ ị phương t th hướng đố ứi x ng) và do có hai l p nêớ n độ dày c a anten ủ tăng. Phương pháp tiếp điện này được th hi n hình sau: ể ệ ở
Hình 4.5 Ghép nối điện từ
Ghép nối qua khe (Aperture coupling): Phương pháp này được minh họa ở hình sau:
Hình 4.6 Ghép nối qua khe
Trong phương pháp này, người ta s d ng hai lử ụ ớp điện môi ngăn cách ở gi a b i ữ ở màn chắn kim loạ Ở ữi. gi a màn chắn kim loại người ta c t mắ ột khe nhỏ và trường điệ ừ đượn t c ghép n i t ố ừ đường tiếp điện qua khe t i tớ ấm patch. Thường khe ghép nối đặ ởt giữa dưới tấm patch tạo nên sự đối xứng và do đó giảm độ phân cực ngang. Hình dáng, kích thước và v trí c a khe ghép n i s quyị ủ ố ẽ ết định lượng ghép nối giữa tấm patch và đường tiếp điện. Khe có thểchọn là loại cộng hưởng (có kích thước đáng kể so với bước sóng) ho c không cặ ộng hưởng (có kích thước nh so v i ỏ ớ bước sóng). Lo i khe cạ ộng hưởng cung c p thêm t n s cấ ầ ố ộng hưởng trên d i t n ả ầ ngoài t n sầ ố ộng hưở c ng của tấm patch và do đó làm tăng băng thông của anten (khi hai t n sầ ố này đủ ầ g n nhau). Tuy vậy, sự ghép n i quá l n (do khe l n) có thố ớ ớ ể gây nên sự ứ b c xạ vào mặt sau (không mong mu n) cố ủa anten vì th làm giế ảm độ đị nh hướng. Do đó, trong những ng d ng không c n d i t n quá rứ ụ ầ ả ầ ộng thì người ta có xu hướng dùng khe không cộng hưởng. Điểm m nh cạ ủa phương pháp tiếp điện này là
s ựsai lệch vị trí giữa hai lớp (lớp điện môi trên đó có patch và lớp điệ môi trên đó n có đường tiếp điện) ảnh hưởng không đáng kể ớ t i đồ th ị phương hướng. Và t t ấ nhiên, cũng giống như phương pháp ghép nối điệ ừn t , hai tấm điện môi có th ể được chọn để nâng cao hiệu năng riêng từng thành phần patch và đường tiếp điện.
Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar waveguide)
Hình 4.7 Tiếp điện đồng phẳng
Trong phương pháp này, đường dẫn sóng đồng phẳng được kh c màn ch n kim ắ ở ắ loại, được tiếp điện bởi đường đồng trục và kết thúc bởi khe (chiều dài được chọn t ừ 0.25 tới 0.29 chiều dài bước sóng). Nhược điểm của phương pháp là khi kích thước c a khe (slot) quá l n có th gây b c x mủ ớ ể ứ ạ ặt sau, điều này có thể ạ h n chế b ng cách giằ ảm kích thước slot và tìm hình d ng phù h p. ạ ợ