CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ANTENNA MẠCH DẢI DÙNG CHO TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI
2.2 Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần
2.2.2. Mở rộng băng thông của anten mạch dải
Anten mạch dải có một số đặc tính rất hữu ích, nhƣng một trong các hạn chế đáng kể của các anten loại này là đặc tính băng hẹp của chúng. Băng thông tính theo trở kháng (impedance bandwidth) của một anten mạch dải điển hình thường trong khoảng nhỏ hơn 1% tới vài % đối với các chất nền mỏng thỏa mãn tiêu chuẩn h/λ0 < 0.023 và có r 10, cho tới h/λ0 < 0.07 và có r 2.3. Điều này hoàn toàn trái ngƣợc với băng thông từ 15% tới 50% của các anten nhƣ là dipole, khe và loa. Các nhà nghiên cứu đã đi vào nghiên cứu các anten mạch dải này để cải thiện giới hạn băng hẹp trong gần 20 năm, và đã thành công trong việc cải thiện băng thông tính theo trở kháng tới 90% và băng thông tính theo hệ số tăng ích (gain bandwidth) tới 70%. Hầu hết những sự đổi mới này đều sử dụng nhiều hơn 1 mode, điều đó làm tăng kích thước, chiều cao hoặc thể tích, và đồng thời làm giảm sút một số đặc tính khác của anten. Mong muốn làm tăng băng thông cũng có thể đạt đƣợc bằng việc chọn một kỹ thuật tiếp điện và mạng phối hợp trở kháng thích hợp.
Chúng ta bắt đầu bằng việc định nghĩa băng thông (bandwidth). Anten có một số các đặc tính vốn có, chẳng hạn nhƣ VSWR (hoặc S11), độ rộng chùm (beamwidth), bậc thùy bên (sidelobe level), hệ số tăng ích (gain), phân cực (polarization), …. Các đặc tính này đều biến đổi theo tần số. Do đó, có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về băng thông tương ứng với các đặc tính trên.
Đối với anten mạch dải, giản đồ bức xạ tương tự như giản đồ bức xạ của dipole. Do đó, băng thông, độ rộng chùm, bậc thùy bên và hệ số tăng ích không biến đổi đáng kể theo tần số, và do đó có thể so sánh đƣợc với các loại anten khác. Băng thông theo phân cực của một anten mạch dải có thể đƣợc mô tả hoặc bằng cách xác định bậc phân cực xiên cực đại (maximum cross- polarization level) đối với anten phân cực tuyến tính hoặc xác định tỉ số cực đại các bán trục đối với anten phân cực tròn.
Trở kháng vào của một anten mạch dải biến đổi nhanh hơn theo tần số, do đó việc giới hạn dải tần giúp cho thành phần bức xạ có thể đƣợc phối hợp trở kháng với đường tiếp điện. Chúng ta sẽ sử dụng băng thông tính theo trở kháng trong phần còn lại của chương để định nghĩa băng thông của anten (mặc dù băng thông tính theo tỉ số trục có thể vẫn thấp hơn đối với anten phân cực tròn). Băng thông tính theo trở kháng của một anten mạch dải cộng hưởng có thể được xác định từ đáp ứng tần số của mạch tương đương của nó.
Đối với mạch tương đương cộng hưởng song song, băng thông nửa công suất (BW) đƣợc cho bởi:
0
0
2
d dB BW G
Trong đó, Y = G + jB là dẫn nạp đầu vào tại tần số cộng hưởng0. Đối với mạch tương đương cộng hưởng nối tiếp G được thay thế bởi R và B được thay thế bởi X trong (2.6), trong đó Z = R + jX là trở kháng vào tại tần số cộng hưởng. Một vài nhà nghiên cứu định nghĩa băng thông trở kháng (impedance bandwidth) theo khái niệm băng thông với VSWR = 2. Băng thông nửa công suất của (2.6) tương đương với băng thông với VSWR2.4 khi anten được tiếp điện bởi đường truyền mạch dải. Sự chuyển đổi băng thông từ một giá trị VSWR này sang một giá trị VSWR khác có thể đƣợc thực hiện thông qua quan hệ sau:
VSWR Q
BW VSWR1
Trong đó Q là hệ số phẩm chất của anten. Công thức (2.7) chỉ ra rằng, băng thông với VSWR 2 bằng khoảng 78% băng thông nửa công suất. Các yêu cầu đối với băng thông trở kháng không nhất thiết phải phù hợp với các tiêu chuẩn băng thông tính theo các đặc trƣng khác của anten. Các nghiên cứu (2.6)
(2.7)
gần đây chỉ ra rằng phân cực xiên (cross-polarization) là thành phần chính hạn chế băng thông của các anten mạch dải băng rộng.
2.2.2.1 Ảnh hưởng của các tham số chất nền tới băng thông
Băng thông trở kháng của anten mạch dải tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q của anten (xem (2.7)). Do đó, ta có thể thay đổi các tham số của chất nền chẳng hạn nhƣ hằng số điện môi r và độ dày h để đạt đƣợc hệ số Q mong muốn nhằm tăng băng thông trở kháng. Hệ số Q của anten cộng hưởng đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
Năng lƣợng đƣợc tích trữ (Energy stored) Q =
Năng lƣợng mất mát (Power lost)
Hình 2.2 biểu diễn ảnh hưởng của độ dày chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất với 2 giá trị hằng số điện môi là 2.2 và 10. Ta thấy rằng băng thông tăng đơn điệu theo độ dày. Khi hằng số điện môir giảm thì băng thông tăng. Điều này có thể đƣợc giải thích từ việc thay đổi giá trị Q.
Hình 2.5: Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở kháng (VSWR < 2) và hiệu suất bức xạ
(2.8)
Hình 2.6: Sự biến đổi của hệ số Q của anten mạch dải có patch hình chữ nhật theo hằng số điện môi chất nền. Trong đó h=1.59 mm, W=0.9L, f=3 GHz
Hệ số Q của anten mạch dải với patch hình chữ nhật là hàm của εr và h đƣợc vẽ trong hình 2.5 và 2.6. Hình 2.5 chỉ ra rằng, hệ số Q hầu nhƣ tăng tuyến tính khi tăng εr. Thành phần bức xạ (patch) hình chữ nhật đƣợc mô hình hoá nhƣ một tụ có mất mát (lossy capacitor), việc tăng hệ số Q là do năng lƣợng đƣợc tích trữ (energy strored) tăng và năng lƣợng bức xạ giảm khi tăng εr (theo công thức 2.5). Tương tự, khi độ dày chất nền tăng lên, năng lượng đƣợc tích trữ giảm làm giảm hệ số Q nhƣ thấy trong hình 2.6. Về mặt vật lý, điều này xảy ra là do “trường viền” (fringing field) tăng khi tăng h và giảm εr.
Hình 2.6: Sự biến đổi của hệ số Q của anten mạch dải có patch hình chữ nhật theo độ dày chất nền. Trong đó εr=2.2, W=0.9L, f=3 GHz
Kết luận, tăng h và giảm εr sẽ làm tăng băng thông trở kháng của anten.
Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể áp dụng khi h < 0.02λ. Có nhiều nhƣợc điểm do sử dụng các chất nền có hằng số điện môi cao và độ dày lớn, bao gồm:
Năng lƣợng sóng mặt tăng lên, dẫn tới kết quả là hiệu suất bức xạ kém (xem hình 2.5). Bức xạ từ các sóng mặt có thể lead to pattern degradation near end-fire.
Các chất nền có độ dày lớn, khi tiếp điện tại cạnh của thành phần bức xạ sẽ làm tăng bức xạ “giả” (spurious radiation) từ đường mạch dải tại những chỗ thay đổi về độ rộng (step-in-width) và những chỗ bất liên tục trên đường mạch dải. Sự bức xạ từ đầu tiếp điện (probe feed) cũng sẽ tăng.
Các chất nền dày hơn 0.11λ0 và có εr=2.2 có trở kháng tại điểm tiếp điện cho anten tăng, dẫn tới các vấn đề về phối hợp trở kháng.
Các mode bậc cao hơn chạy dọc theo chiều dày chất nền có thể tăng, điều này làm méo các giản đồ bức xạ và thay đổi trở kháng đặc tính. Đây là một tham số hạn chế việc đạt đƣợc băng thông lớn hơn.
2.2.2.2 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp
Người ta nhận thấy rằng: một vài hình dạng thành phần bức xạ (patch) có hệ số Q thấp hơn so với những hình dạng khác. Do đó băng thông của chúng sẽ cao hơn. Các hình dạng thành phần bức xạ này bao gồm: vành khuyên (annular ring), vành hình chữ nhật/hình vuông (rectangular/square ring), patch phần tư bước sóng (được ngắn mạch) và một số hình dạng khác.
Một anten có patch vành khuyên tròn với b = 2a khi hoạt động ở mode TM12 cho băng thông gấp 5 lần một anten patch hình chữ nhật với L = 1.5W. Tương tự, một anten có patch vành hình chữ nhật/hình vuông với chu vi trung bình 1 λg có thể đƣợc sử dụng.
Băng thông của anten có patch phần tƣ sóng ngắn mạch hay vành khuyên đƣợc so sánh với anten có patch hình tròn hay hình chữ nhật trong
bảng 2.1. Chúng ta có thể nhận thấy từ bảng này rằng: băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng khi độ rộng của patch tăng.
Bảng 2.1. So sánh băng thông tại VSWR = 2
Hình dạng patch Kích thước patch Băng thông (%) Hình chữ nhật hẹp L=4.924 cm, W=2.0 cm 0.7
Hình chữ nhật rộng L=4.79 cm, W=7.2 cm 1.6
Hình vuông L=W=4.82 cm 1.3
Hình tròn Bán kính a=2.78 cm 1.3
Hình vành khuyên b=8.9 cm, a=4.45 cm 3.8 Hỡnh chữ nhật ẳ bước súng L=2.462 cm, W=2.0 cm 1.05
εr = 2.32, h = 1.59 mm, f = 2 GHz 2.2.2.3 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp
Có nhiều kỹ thuật tiếp điện khác nhau nhƣ: tiếp điện bằng “đầu dò”
(probe feeding), tiếp điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch với một đường truyền mạch dải (proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch với một đường tiếp điện mạch dải (aperture coupling to a microstrip feed line). Trong đó phương pháp ghép khe (aperture coupling) được sử dụng cho các anten băng rộng trên các chất nền dày. Điều này là do thực tế rằng: kỹ thuật tiếp điện này cho phép một lƣợng lớn tham số có thể điều chỉnh nhƣ độ dài khe, độ rộng khe và hình dạng khe, …. Phương pháp ghép khe khi được điều chỉnh một cách kỹ lƣỡng có thể làm tăng băng thông một cách đáng kể.
Băng thông khoảng 70% có thể đạt đƣợc khi sử dụng kỹ thuật tiếp điện này.
Thiết kế các anten ghép khe đƣợc thảo luận ngay sau đây.
Các anten mạch dải ghép khe
Một anten mạch dải ghép khe đƣợc thể hiện trong hình 2.5. Nó bao gồm một patch hình chữ nhật có kích thước a x b được in trên một chất nền có độ
dày h và hằng số điện môi εra. Patch mạch dải được tiếp điện bởi một đường mạch dải thông qua một khe hở hoặc một rãnh rạch trên mặt phẳng đất chung của patch và đường tiếp điện mạch dải như trong hình 2.5.
Hình 2.7: Anten mạch dải tiếp điện bằng ghép khe
Khe có các kích thước là La x Wa và tâm khe tại điểm (x0, y0). Độ rộng của đường mạch dải là W và được in trên một chất nền có độ dày t và hằng số điện môi εrf. Trở kháng đặc trưng của đường mạch dải được kí hiệu là Z0m và trở kháng đặc trƣng của khe đƣợc kí hiệu bởi Z0s. Việc ghép khe với giữa patch và đường mạch dải xảy ra bởi vì khe “phá vỡ sự liên tục” của dòng điện chạy theo dọc theo patch. Phân tích anten mạch dải ghép khe cho thấy: hầu hết các đặc tính đều tương tự với anten khe tiếp điện bằng đường mạch dải.
Kỹ thuật tiếp điện ghép khe đƣợc giới thiệu bởi Pozar và nó có nhiều ƣu điểm so với các kỹ thuật tiếp điện khác. Các ƣu điểm đó là: bảo vệ đƣợc anten khỏi sự bức xạ “giả” từ phần tiếp điện (spurious feed radiation), sử dụng chất nền cho cả cấu trúc tiếp điện và anten, sử dụng chất nền dày để tăng băng thông của anten.
2.2.2.4 Phối hợp trở kháng
Một trong các kỹ thuật trực tiếp và thông thường nhất được sử dụng để cải thiện băng thông trở kháng là sử dụng một mạng phối hợp trở kháng. Ta cú thể dựng cỏc nhỏnh và cỏc đoạn mạch dải ẳ bước súng cú thể được sử dụng cho mục đích này. Mạng phối hợp trở kháng nên đƣợc đặt gần thành phần bức xạ nhất có thể. Tuy nhiên, các chỗ không liên tục trong mạng phối hợp trở kháng cũng có thể bức xạ, điều đó làm giảm sút đặc tính phân cực ngang (cross-polarization) của anten. Sự phức tạp và các mất mát của mạng phối hợp trở kháng nói chung hạn chế băng thông có thể đạt đƣợc chỉ khoảng từ 10% tới 30%. Pues và Van de Capelle đã đạt đƣợc băng thông khoảng 10%
tới 12% sử dụng một mạng phối hợp trở kháng đồng phẳng thụ động. Các kỹ thuật tương tự được sử dụng bởi Paschen đưa ra băng thông lớn hơn 25%, băng thông đó đủ để bao phủ cả dải GPS chỉ với một thành phần bức xạ đơn.
Một phương pháp khéo léo khác đó là một thành phần chuyển tiếp hình nón 3D (3D transition) đƣợc sử dụng để tăng băng thông trở kháng tới khoảng 90%. Hình dạng của anten này đƣợc thể hiện trong hình 2.8.
(a). Patch “lơ lửng” với một thành phần chuyển tiếp 3D nghiêng.
(b). Patch “lơ lửng” với một thành phần chuyển tiếp 3D dựng đứng.
Hình 2.8. Anten với patch đơn băng rộng sử dụng thành phần chuyển tiếp 3D.
Anten và thành phần chuyển tiếp không đƣợc in trên bất kỳ một vật liệu điện môi nào. Patch đƣợc chống ở tâm bởi một trụ (kim loại hoặc không phải kim loại). Thành phần chuyển tiếp có thể là một dải kim loại độ rộng không thay đổi dựng nghiêng xuống tới mặt phẳng đất nhƣ thể hiện trong hình 2.8(a), hoặc có thể là một dải có độ rộng thon dần vuông góc với mặt phẳng đất như trong hình 2.8(b). Cả hai phương pháp này cho kết quả băng rộng bởi vì tính chất trở kháng biến đổi đều của chúng. Ƣu điểm của anten này là có một băng thông VSWR rất lớn, khoảng 90%, tránh được các ảnh hưởng của sóng mặt và ảnh hưởng của độ phân bố (dispersion) của chất nền, hiệu suất cao hơn.