Có 3 phƣơng pháp chính để phân tích cấu trúc EBG. Đó là :
Mô hình phần tử tập trung.
Phƣơng pháp đƣờng truyền dẫn tuần hoàn
Phƣơng pháp số hóa sóng đầy đủ.
Phương pháp mô hình phần tử tập trung: là phƣơng pháp đơn giản nhất, miêu tả cấu trúc EBG nhƣ một mạch cổng hƣởng LC. Giá trị L và C đƣợc xác định bởi cấu trúc hình học của EBG và động thái cộng hƣởng của nó đƣợc sử dụng để giải thích những đặc thù của cấu trúc EBG. Mô hình này dễ hiểu nhƣng kết quả chính xác không cao bởi sự xấp xỉ đơn giản của L và C.
Hình 1.14: Mô hình mạch LC cho phân tích cấu trúc EBG
Phương pháp đường truyền dẫn tuần hoàn: là một phƣơng pháp phổ biến đƣợc dùng để phân tích cấu trúc EBG.
27 Hình 1.15: Phƣơng pháp đƣờng truyền dẫn tuần hoàn
Trong đó:
Zp là trở kháng của phần tử tuần hoàn. Xc là dung kháng của tụ điện kép.
Áp dụng điều kiện biên tuần hoàn, sau khi phân tích đƣờng phát nối tầng, đƣờng cong phân tán sẽ cung cấp nhiều thông tin hơn phƣơng phần tử tập trung nhƣ mốt sóng bề mặt, mốt sóng rò, miền lệch trái lệch phải, khe hở băng tần. Tuy nhiên khó khăn của phƣơng pháp này là làm thế nào để xác định chính xác giá trị Zp và X cho cấu trúc EBG. Một số công thức thực nghiệm đƣợc đƣa ra cho một số cấu trúc hình học đơn giản sử dụng cho mô hình đƣờng phát, tuy nhiên kết quả giới hạn, chỉ tìm ra cho một số cấu trúc đơn giản thông thƣờng.
28 Hình 1.16: Phƣơng pháp FDTD cho phân tích cấu trúc EBG
Phương pháp số hóa sóng đầy đủ: Đây là phƣơng pháp sử dụng sự phân tích miền tần số nhƣ : MoM (the method of moment), FEM (finite element method) hay phân tích miền thời gian nhƣ phƣơng pháp sai khác hữu hạn miền thời gian- FDTD (the finite difference time domain) để phân tích cấu trúc EBG.
Một ƣu điểm của phƣơng pháp số hóa sóng đầy đủ là sự linh hoạt và chính xác khi phân tích các cấu trúc hình học EBG khác nhau. Ngoài ra, nó còn có ƣu điểm là có khả năng suy dẫn ra các đặc tính
29 khác của EBG nhƣ: trở kháng bề mặt, pha phản xạ, đƣờng cong phân tán, khe hở băng tần.
1.4. Ứng dụng EBG trong kỹ thuật anten.
1.4.1.Ngăn chặn sóng bề mặt
Truyền lan sóng điện từ trực tiếp bằng sóng mặt đất thay vì sóng vô tuyến trong không gian tự do làm giảm hiệu suất anten và hệ số khuếch đại của nó. Sự nhiễu xạ của sóng bề mặt tăng sự bức xạ của những búp sau, điều này có thể làm giảm tỉ số tín hiệu của các hệ thống truyền thông không dây nhƣ các thiết bị thu GPS. Sóng bề mặt cũng làm tăng mức độ ghép nối tƣơng hỗ trong các thiết bị mảng, góc quét nhìn không rõ trong hệ thống mảng pha.
Cấu trúc EBG được ứng dụng để ngăn chặn sóng bề mặt trong các thiết kế anten.Ví dụ cấu trúc EBG đƣợc lắp xung quanh anten không dây băng nhỏ để tăng hệ số khuếch đại và giảm búp sau hay EBG đƣợc sử dụng để thay thế các vòng bƣớm gió phần tƣ bƣớc sóng trong các thiết kế anten GPS. Rất nhiều anten mảng cũng tích hợp các cấu trúc EBG để giảm mức độ ghép nối tƣơng hỗ.
1.4.2 Đế anten cho những thiết kế anten không dây, kích thước nhỏ, hiệu suất.
Một ứng dụng khác của EBG là thiết kế ra một anten không dây, kích thƣớc nhỏ, hiệu suất cao, đó là yêu cầu của các hệ thống truyền thông không dây hiện đại. Bảng 1.2 so sánh hai vật liệu EBG và PEC trong thiết kế anten dây. Khi dòng điện thẳng (vertical) đứng tới mặt phẳng PEC, thì dòng bản sao của nó có phƣơng và độ tăng cƣờng bức xạ tƣơng tự với dòng gốc. Do đó anten này có hiệu suất bức xạ cao nhƣng phải chịu một kích thƣớc anten lớn tƣơng ứng, vì
30 sự phân bố thẳng đứng của dòng. Bề mặt EBG có thể cung cấp dòng ảo với trong phạm vi băng tần nào đó với hiệu suất bức xạ cao. Bảng 1.2: So sánh mặt phẳng PEC và EBG trong thiết kế anten dây
Những anten dây khác nhau có thể đƣợc thiết kế trên mặt phẳng EBG nhƣ: anten lƣỡng cực, anten đơn cực, anten xoắn ốc. Các bề mặt EBG cũng có thể đƣợc tối ƣu để có khả năng thực thi cao hơn nhƣ các thiết kế băng rộng và đa băng.
1.4.3 Bề mặt phát/phản xạ cho anten hệ số tăng ích cao.
Cấu trúc EBG đƣợc thiết kế cho anten có hệ số tăng ích khoảng 20dBi. Thông thƣờng anten parabol hoặc mảng anten lớn mới có hệ số tăng ích cao. Tuy nhiên bề mặt cong của anten parabol khó thích hợp với dàn di động trong khi mảng anten lớp luôn bị mất mạng cung cấp. Bề mặt EBG phẳng có thể giải quyết vấn đề này. Ví dụ hình 1.17 sử dụng anten cộng hƣởng hệ số tăng ích cao. Sau khi tối ƣu hóa cấu trúc EBG 3 chiều dạng gỗ xếp ta có thể tạo ra một anten có độ tăng ích 19dBi.
31 Một ứng dụng khác của cấu trúc EBG là thiết kế anten holographic dựa trên khái niệm “toàn ảnh quang học”. Pha của mỗi cell EBG riêng lẻ đƣợc điều chỉnh để làm giảm chùm hệ só tăng ích cao eo hẹp theo phƣơng đặc biệt. Sử dụng các diod điện dung để cấu hình lại các đặc tính bề mặt. Hệ thống lái chùm tia điện cũng đƣợc thực hiện.
Hình 1.17: Thiết kế anten có độ tăng ích cao sử dụng cấu trúc EBG ba chiều dạng gỗ xếp (IEEE, 2005)
Bên cạnh các ứng dụng anten, cấu trúc EBG cũng đƣợc ứng dụng nhiều trong các thiết kế mạch sóng vi ba. Ví dụ nhƣ các thiết kế bộ lọc sóng ngắn loại bỏ thành công các hài bậc cao trong mạch.
32
CHƢƠNG 2: ANTEN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
2.1. Giới thiệu về công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB. Công nghệ băng thông siêu rộng UWB (Ultra-WideBand) đang đƣợc xem nhƣ một công nghệ không dây của tƣơng lai với ƣu điểm nổi trội cho phép truyền tốc độ dữ liệu cao cũng nhƣ giảm thiểu đƣợc tác động của hiện tƣợng đa đƣờng so với các công nghệ xuất hiện trƣớc nó. UWB hoạt động ở dải tần không cần đăng ký từ 3,1GHz - 10,6GHz. UWB đƣợc sử dụng trong các hệ thống vô tuyến trong nhà tốc độ cao, các hệ thống không dây đòi hỏi tiêu tốn năng lƣợng cực ít, mạng vô tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network), mạng vô tuyến nội hạt (WLAN) cỡ nhỏ, hệ thống Rada dò tìm, định vị trong quân sự… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
UWB cho phép truyền và thu nhận các xung dạng cơ bản đƣợc nén trong miền thời gian khác với việc truyền và thu nhận các sóng hình sin liên tục đƣợc nén trong miền tần số nhƣ trong các hệ thống thu phát truyền thống. Điều đó làm cho công nghệ UWB về căn bản khác so với các công nghệ không dây băng hẹp và trải phổ tƣơng đƣơng trƣớc đó nhƣ công nghệ Bluetooth và 802.11a/b. UWB sử dụng một băng cực rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu. Do đó, UWB có khả năng truyền tải nhiều dữ liệu hơn so với các công nghệ vô tuyến truyền thống.
Công nghệ UWB ra đời có tầm ảnh hƣởng quan trọng, mở ra những cơ hội và thách thức mới cho các nhà sản xuất anten. Điểm quan trọng nhất trong thiết kế anten UWB là việc anten phải đạt đƣợc một băng thông rộng, trong khi vẫn phải duy trì đƣợc hiệu suất bức xạ cao trên toàn băng. Một anten UWB phải có khả năng hoạt động trên cả dải tần 3,1-10,6GHz. Một thông
33 số quan trọng khác của UWB là độ trễ nhóm (group delay). Độ trễ nhóm đƣợc định nghĩa là đạo hàm của pha gốc tín hiệu anten. Nếu pha là tuyến tính trên toàn bộ dải tần thì độ trễ nhóm là hằng số. Đây là đặc tính quan trọng thể hiện chất lƣợng truyền đi một xung UWB và mức độ bị ảnh hƣởng méo hay tán sắc của xung đó. Đồ thị bức xạ và hiệu suất bức xạ cũng là những đặc tính quan trọng đƣợc xem xét khi thiết kế anten. Đồ thị bức xạ đẳng hƣớng là một tiêu chí thiết kế mong muốn, có thể cho phép đặt vị trí máy thu và phát ở các vị trí không cố định. Do đó đối với việc thiết kế anten cho công nghệ băng thông siêu rộng phải có những yêu cầu nhất định (bảng 2.1). Nhìn chung, công nghệ băng thông siêu rộng chủ yếu hƣớng tới các thiết bị di động, cầm tay… Điều đó đồng nghĩa với việc anten đƣợc thiết kế phải có hình dạng, kích thƣớc nhỏ (anten vi dải) cho phép tích hợp vào trong các thiết bị.
34
Bảng 2.1. Yêu cầu của anten cho thiết bị di động băng thông siêu rộng
Dải tần số hoạt động
3.1GHz – 10.6GHz
Hiệu suất bức xạ Cao > 70%
Pha Gần tuyến tính, trễ nhóm không đổi
Đồ thị bức xạ Đẳng hƣớng Độ rộng búp sóng
nửa công suất
Rộng > 600 Hình dạng Nhỏ, gọn, đồng phẳng Hệ số định hƣớng & Hệ số tăng ích Thấp
Để tạo anten vi dải băng rộng cần dựa vào những anten băng rộng cơ bản, sau đó tìm cách thay đổi hình dạng và kích thƣớc dựa trên các nguyên lý tạo anten dải rộng. Anten vi dải có thể cộng hƣởng ở nhiều tần số khác nhau, tùy thuộc vào hình dạng miếng bức xạ, vì thế có thể có đƣợc một anten băng rộng bằng cách thay đổi sao cho các tần số cộng hƣởng gần với nhau.
Mục tiêu của chƣơng này là khám phá cấu trúc anten phù hợp để sử dụng trong phạm vi gần, hệ thống vô tuyến điện trong mức UWB thấp và trạm thông tin liên lạc cơ sở ngoài trời.
35 Chƣơng này xem xét một số anten UWB chính (lƣỡng cực, bow- tie và TEM horn) cũng nhƣ thảo luận về hiệu suất của một lớp nhỏ anten phù hợp cho các hệ thống truyền thông chi phí thấp. Thực tế, cấu trúc anten khác nhau đƣợc kiểm tra thông qua mô phỏng và kết quả đo lƣờng của một số nguyên mẫu đƣợc trình bày. Tuy nhiên, để thực hiện một đánh giá nghiêm ngặt hiệu quả lý thuyết của các loại anten thì nó nằm ngoài phạm vi của đề tài này.
2.2. Các đặc tính của anten UWB
Các anten UWB hoạt động nhƣ một bộ lọc và là một thành phần quan trọng trong hệ thống vô tuyến UWB. Các hiệu ứng cơ bản của anten là chúng tạo ra dẫn xuất truyền hoặc nhận dạng sóng xung (Funk et al, 1995a). Điều này cũng có tác dụng mở rộng thời gian của xung truyền và nhận. Phần mở rộng này của xung thời gian làm giảm thời gian giải quyết của hệ thống. Anten có một ảnh hƣởng lớn trong UWB hơn trong các hệ thống band hẹp vì băng thông của một tín hiệu UWB rất lớn. Trong công nghệ của anten, yêu cầu dải tần số phải là 6:01 hoặc cao hơn theo thứ tự: 'siêu rộng' (Taylor, 1995) có nghĩa là tần số trên phải lớn hơn ít nhất sáu lần tần số của băng tần. Nhƣ vậy đối với khó khăn hiện nay trên băng, các vấn đề về tuyến tính, bức xạ hiệu quả và trở kháng phù hợp với anten băng rộng. Một trong những vấn đề sẽ phát sinh khi một miền thời gian cực ngắn đƣợc sử dụng để kích thích các anten, là hiệu ứng chuông. Sau anten, tín hiệu không có xung dài nhƣ thế. Thay vào đó xung đƣợc lan truyền trong miền thời gian. Một đáp ứng anten điển hình đƣợc trình bày trong hình 2.1, hiệu ứng chuông đƣợc mô hình hóa bằng cách sử dụng một chức năng Bessel đơn giản. Để tránh chuông, anten điện trở với giá trị Q thấp nên đƣợc sử dụng, các
36 điện trở tải sẽ gây ra các thành phần tín hiệu không mong muốn mất đi một cách nhanh chóng, để lại một xung rất gần với hình dạng mong muốn. Băng thông anten cũng có thể đƣợc tăng lên bằng cách làm cho giá trị Q nhỏ, vì băng thông là tỉ lệ nghịch với giá trị Q. Tuy nhiên, giá trị Q thấp ngụ ý rằng hiệu quả của một anten điện trở nói chung là khá kém.
Giá trị Q so với một anten đƣợc cho bởi :
Trong đó, fH, và fL là tần số trung tâm trên dƣới 3 dBg iá trị của các anten tƣơng ứng.
Hình 2.1 Đáp ứng của một anten bởi xung thời gian cực ngắn theo hiệu ứng chuông.
Miền tần số cũng rất hữu ích để mô tả phản ứng thoáng qua của anten vì thời gian và miền tần số đƣợc kết nối bởi biến đổi Fourier. Khả năng của một anten để bảo tồn các dạng sóng
37 của xung cực hẹp đƣợc nghiên cứu trong miền thời gian. Hai trong số những đặc tính quan trọng nhất trong miền thời gian của một anten là âm thanh có độ trung thực và tính đối xứng. Độ trung thực đƣợc định nghĩa là tƣơng quan chéo tối đa của điện áp và sự cố bình thƣờng hóa các lĩnh vực bình thƣờng hóa điện trong khu vực xa (Montoya và Smith, 1996). Tính đối xứng là một thƣớc đo của sự đối xứng của các dạng sóng trong khu vực xa (Montoya và Smith, 1996). Nhiều phƣơng pháp tiếp cận lý thuyết về thời gian miền đặc tính anten có thể đƣợc tìm thấy trong các tài liệu (Balanis, 1997; Montoya và Smith, 1996; Shlivinsky et al, 1993; Allen et al, 1993; Lamensdorf và Susman, 1994).
2.3. Các kiểu anten trong UWB
Nội dung phần này mô tả các loại anten phù hợp cho hoạt động UWB trong đó phần 2.3.1 mô tả các yêu cầu chung đối với anten, phần 2.3.2 đến 2.3.8 giới thiệu về các loại ăng ten khác nhau.
2.3.1. Yêu cầu chung
Phần này đánh giá phản ứng của anten cho các trạm cơ sở và trong nhà di động sử dụng với xung thời gian ngắn (cỡ nano giây) nên yêu cầu cấu trúc ăng ten đặc biệt so với các hệ thống điển hình băng hẹp. Một anten băng rộng lý tƣởng hoạt động nhƣ một bộ lọc cao, có nghĩa là dạng sóng xung khác biệt khi qua anten. Các anten băng rộng điển hình, chẳng hạn nhƣ các anten lƣỡng cực, thay đổi các dạng sóng nhiều hơn do đặc tính phân tán. Bảng 2.2 dƣới đây đƣa ra một số mục tiêu thông số kỹ thuật anten cho các trạm cơ sở và anten di động. Đây không phải
38 là định nghĩa. Tuy nhiên, nó cung cấp cho các giá trị tham số thích hợp.
Bảng 2.2: Các yêu cầu chung đối với anten
2.3.1.1. Trạm cơ sở Ăng ten (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhƣ đã thảo luận trong chƣơng trƣớc, sức mạnh của tín hiệu truyền UWB là vô cùng thấp. Trong bối cảnh này, anten trạm cơ sở có thể đƣợc sử dụng cho các mạng dữ liệu tốc độ cao hoặc các hệ thống tốc độ dữ liệu mức thấp, bao gồm cả vị trí và hệ thống theo dõi. Các anten trạm gốc có thể đƣợc thiết kế để sử dụng trong nhà hoặc ngoài trời, tùy thuộc vào ứng dụng. Sử dụng ngoài trời cho phép các anten là tƣơng đối lớn, với kích thƣớc của nhiều bƣớc sóng. Ngoài các yêu cầu đƣợc nêu trong bảng 2.2, anten phải hiệu quả. Điều này có thể hạn chế việc sử dụng các cấu trúc điện trở nạp. Anten trạm cơ sở có thể là chỉ thị hoặc đa hƣớng. Anten chỉ thị có thể đƣợc sử dụng trong các liên kết vô tuyến điện, trong khi anten đa hƣớng sẽ thuận lợi hơn trong các ứng dụng điện thoại di động.
2.3.1.2. An ten di động
Các yêu cầu đối với các anten di động tầm ngắn UWB có sự khác nhau đôi chút từ cơ sở trạm anten. Quan trọng nhất, các anten phải nhỏ. Mong muốn anten đƣợc chi phí thấp và xây dựng tốt trên một bảng mạch in. Kích thƣớc nhỏ có nghĩa là ăng
39 ten đa hƣớng. Hiệu quả bức xạ là không quan trọng, tham số nhƣ anten trạm gốc, có thể sử dụng điện trở tải. Nếu có thể, thu phát sẽ đƣợc nhúng vào trong cùng một bảng mạch nhƣ anten.
2.3.2. TEM Horn
Sừng TEM và các biến thể của nó là một trong các anten đƣợc sử dụng phổ biến nhất trongcứng dụng UWB. Cấu trúc cơ bản bao gồm hai tấm kim loại giảm dần đƣợc nối bằng đƣờng dây truyền tảicchế độ TEM hai dây. Cấu trúc này có thể đƣợc xem xét nhƣ là một cong cungcbuộc lƣỡng cực. TEM horn bảo