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
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 tồn các dạng sóng xung rất tốt và có một hằng sốcgiai đoạn trung tâm (van Cappellen et al, 2000). Các đốt bỏ và chiều dài của anten có thểcđƣợc điều chỉnh để thay đổi mô hình bức xạ, trở kháng phù hợp của các anten (Shlager et al, 1996). TEM horn khoảng từc5 đến 15 dB, phù hợp cho hoạt động cơ sở trạm chỉ thị.
Sự phân tán không gian gây ra bởi các dạng sóng không phẳng từ TEMhorn có thể đƣợc sửa chữa bằng cách sử dụng các ống kính (Baum và Stone, 1993) hoặc gƣơng phản xạ (Foster, năm 1993; Baum và Farr, 1993). Một trong những anten là anten bức xạ xung (IRA) (Baumvà Farr, 1993) sẽ đƣợc mô tả tại mục 2.3.4.
2.3.3. TEM Horn biến thể
Đƣợc biến đổi từ anten TEM Horn. Tấm vách ngăn có thể đƣợc đặt bên trong các sừng để cải thiện tính đồng nhất trƣờng (Buchenauer et al, 1999). Một kỹ thuật mô tả bởi (Yarovoy et al, 2000) là để điền vào sừng với vật liệu điện môi. Một nửa của chiếc sừng cũng có thể đƣợc thay thế bởi một máy bay mặt đất lớn nhƣ vậy mà chiếc sừng giống nhƣ một bow-tie đơn cực.
40 Trong trƣờng hợp này, một bộ cân bằng băng thông rộng không cần thiết. Đây cũng có thể sử dụng tải điện trở anten để ngăn chặn sự phản xạ từ sừng cuối (Shlager et al, 1996). Ý tƣởng đằng sau một sừng ridged và một anten khe giảm dần (Yngvesson et al, 1989; Lewiset al, 1974) là tƣơng tự nhƣ sừng TEM: TEM-hoặc chế độ bán TEM đƣợc sử dụng để nuôi anten. Với một cấu trúc horn ridged, có một sƣờn dốc bên trong sừng TEM. Điều này mang lại sự xuất hiện thƣờng xuyên hơn đối với tần số tƣơng đối tiêu chuẩn TEM sừng. Tuy nhiên, cấu trúc khá khó để sản xuất. Ngoài ra, các anten xuất hiện không đƣợc tối ƣu cho xung bức xạ (van Capellen, 1998). Sự phân cực đa dạng anten bằng Wicks và Antonik (1993) cũng có thể đƣợc coi là một biến thể của một sừng ridged. Tapered-khe cắm anten có thể đƣợc xây dựng bằng cách sử dụng kỹ thuật in-board mạch. Với anten nhƣ vậy, tuy nhiên, nó có thể là khó khăn để đạt đƣợc liên tục. Các giảm dần khe cắm anten và các biến thể của nó xuất hiện là ứng cử viên tốt cho máy tính anten. Một phƣơng pháp để xây dựng TEM-horn loại anten trên mạch in hội đồng đƣợc mô tả bởi Nguyen et al., (2001).
2.3.4 Anten bức xạ xung
Một xung bức xạ anten (IRA) bao gồm một sừng TEM gây ra một parabol phản xạ (Baum và Farr, 1993). Với anten nhƣ vậy, nó có thể để có đƣợc cao và gần nhƣ tăng tần số độc lập. Những lợi ích đƣợc báo cáo là thứ tự của 25 dBi. Việc đạt đƣợc ăng ten có thể đƣợc thực hiện điều chỉnh (Farr et al, 1999) bằng cách di chuyển horn TEM hết tâm điểm của các phản xạ parabol. Tăng cao làm cho anten một ứng cử viên tốt cho các phạm vi rất dài base-stationcác ứng dụng. Tăng cao, beamwidth
41 hẹp và các xung ngắn đƣợc tạo ra bằng cách này anten làm cho nó có khả năng chống nhiễu.
2.3.5. Anten sừng gấp
Một anten horn gấp UWB ứng dụng năng lƣợng cao đƣợc trình bày bởi Kardo-Sysoevet al, (1999). Ý tƣởng của anten sừng gấp đến từ tiểu sừng lắp vào.
Anten folded horn một sừng chính. Những chiếc sừng con chia khẩu độ horn ban đầu thành hai phần bằng nhau. Sử dụngkỹ thuật này, kích thƣớc của anten có thể đƣợc giảm bớt. Điều này có thể đƣợc nhìn thấy từ hình 2.2.trong đó cho thấy cấu trúc của anten horn gấp.
Hình 2.2 : Anten sừng gấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.6. Anten lưỡng cực và đơn cực
Anten lƣỡng cực và đơn cực mà không bốc điện trở đƣợc dựa trên các kỹ thuật cộng hƣởng, do đó hiệu ứng chuông đƣợc mô tả trƣớc đó đáng kể làm giảm hiệu suất của họ. Một đánh giá
42 toàn diện khác nhau nạp dây mỏng đơn cực đƣợc trình bày bởi Montoya và Smith (1996). Kết quả cho thấy không ai trong số các đơn cực kiểm tra bảo tồn đặc tính xung. Các tải điện trở, tuy nhiên, có vẻ nhƣ để cải thiện hiệu suất đáng kể. Một thiết kế phổ biến là các anten bow-tie (còn đƣợc gọi là 'bifin ăng ten, StutzmanThiele, 1981). Anten bow-tie đƣợc sử dụng trong một anten thiết kế siêu rộng Lai et al.,(1992) cho thấy một số ví dụ về các ăng ten siêu băng rộng khác nhau. Các beamwidth và trở kháng đầu vào của một anten bow-tie phụ thuộc trực tiếp trên anten hình học và họ gần nhƣ liên tục trên phạm vi tần số mong muốn. Để đảm bảo một nguồn cấp dữ liệu cân bằng và băng rộng đến các anten bow-tie, một công trình lai với một dòng khe cắm anten đƣợc sử dụng (Lai et al, 1992). Băng thông của một anten bow-tiephụ thuộc vào chiều dài của tấm (xem hình 2.3). Góc bùng phát và độ dài của tấm xác định tần số thấp hơn. Beamwidth của ăng ten bow-tie thay đổi tuyến tính với góc bùng. Việc sử dụng hiệu quả các vật liệu điện trở cũng xuất hiện để có lợi trong tie-bow anten (Maloney và Smith, 1993a; Shlager et al, 1994). Có thiết kế khác có thể đƣợc coi là cấu trúc dipole, chẳng hạn nhƣ nạp ăng ten điện trở Chevalier et al. (1999) tối ƣu hóa đối với bức xạ xung.
43 Hình 2.3: Một vài kiểu anten bowtie băng rộng
Lu và Shi (1999) chứng minh rằng cấu trúc lƣỡng cực sẽ đƣợc ƣa dùng hơn cấu trúc đơn cực, bởi vì kích thƣớc của mặt đất với đơn cực có thể không đƣợc thực tế. Mặt khác, những vấn đề trong việc phát triển một bộ tản nhiệt lƣỡng cực siêu băng thông rộng kiểm soát dòng không cân bằng ở cáp bên ngoài.
44
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN UWB BOWTIE TRÊN CẤU TRÚC EBG
3.1. Giới thiệu.
Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng gần đây đã thu hút đƣợc sự quan tâm trong khá nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ truyền thông tốc độ cao, khoảng cách ngắn; mạng cảm biến; tìm vết radar và định vị. Có rất nhiều loại anten băng rộng đƣợc sử dụng trong truyền thông UWB. Trong khuôn khổ của đề tài này chỉ tập trung tìm hiểu anten bowtie, một loại anten điển hình cho các đặc tính phát xạ đơn hƣớng trên một dải rộng tần số khi đặt anten song song với một vật phản xạ.
Trong trƣờng hợp sử dụng tinh thể dẫn điện lý tƣởng PEC (Perfect Electric Conductor) làm vật phản xạ, chiều cao từ anten đến mặt phản xạ phải chọn bằng 1/4 bƣớc sóng tần số trung tâm để tránh sự suy giảm các đặc tính của anten.[2], [3]
Trong một vài năm gần đây, rất nhiều nghiên cứu đã công bố kết quả nghiên cứu về cấu trúc dải chắn điện từ EBG có thể thu nhận chùn tia đơn hƣớng từ các anten vô hƣớng với chiều cao anten nhỏ hơn 1/4 bƣớc sóng [4], [6].
Nội dung của đề tài này giới thiệu một nghiên cứu về thiết kế anten UWB bowtie hình lá trên cấu trúc EBG hình nấm. Kết quả đƣợc kiểm nghiệm dựa trên phƣơng pháp phân tích và đo kiểm sai khác hữu hạn miền thời gian FDTD (Finite Diffirence Time Domain).
45
3.2. Cấu trúc anten.
Hình 3.1 chỉ ra cấu trúc của một anten bowtie hình lá trên một vật phản xạ EBG. Trong đó, hai phần tử phát xạ hình lá đƣợc đặt ở đỉnh và đáy của chất nền điện môi có chiều dầy t và hằng số điện môi tƣơng ứng r. Phần tử tán xạ đƣợc thiết kế bằng cách cắt tròn góc của phiến đồng hình vuông với bán kính cong Rs và góc mở . Chiều dài cạnh phiến đồng hình vuông đƣợc gọi là Le. Phần tử tán xạ sẽ đƣợc kích thích bởi một đƣờng vi dải hình nón, đóng vai trò nhƣ một bộ biến đổi trở kháng và bộ cân bằng. Bề mặt anten đƣợc đặt song song với mặt phản xạ EBG hình nấm và cách một khoảng là d.
Hình 3.1: Cấu trúc anten
46 Hình 3.2: Cấu trúc hình học của mặt phản xạ EBG
Nhƣ chỉ ra trong hình 3.2, vật phản xạ EBG bao gồm các miếng hình vuông đƣợc sắp xếp tuần hoàn theo ma trận 9x9 đƣợc in trên chất nền điện môi có bề dầy h. Mỗi miếng hình vuông này đƣợc tiếp đất bởi một một miếng kim loại có đƣờng kính r. Chất nền điện môi của vật phản xạ EBG có hằng số điện môi tƣơng tự nhƣ hằng số điện môi của chất nền anten. Các tham số về cấu trúc đƣợc thống kê trong bảng 1. Trong đó, các tham số của phần tử phát xạ và mạch dẫn đƣợc tối ƣu hóa cho thiết bị hoạt động ở băng tần UWB (3.1 - 10.6 GHz) khi chƣa đƣa vật phản xạ EBG [1]
47
3.3. Kết quả đo và đánh giá.
Hình 3.3 minh họa sự phụ thuộc tần số vào pha phản xạ trên cấu trúc EBG hình nấm với các tham số cấu trúc đƣợc chỉ ra trong bảng 1. Các kết quả này đƣợc tính toán dựa trên các báo cáo đƣợc công bố trong [5]. Pha phản xạ 00 đạt đƣợc ở tần số 8.2 GHz. Tại tần số này, cấu trúc EBG đóng vai trò nhƣ một vật dẫn từ lý tƣởng PMC (Perfect Magnetic Conductor) [6].
Hình 3.3: Pha phản xạ trên mặt phản xạ EBG
Ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp phân tích và đo kiểm FDTD để đánh giá hiệu năng của anten hình lá trên vật phản xạ EBG. Khoảng cách giữa bề mặt anten và vật phản xạ EBG đƣợc chọn là d = 2mm = 0.055 với là chiều dài bƣớc sóng trong không gian tự do tại tần số 8.2 GHz. Anten và vật phản xạ EBG đƣợc chế tạo thử nghiệm bằng chất nền điện môi ARLON DiClad 880.
48 Hình 3.4: Hệ số phản xạ S11 theo tần số
Hình 3.4 thể hiện hệ số phản xạ S11 mô phỏng và đo trên mẫu thử nghiệm tại cổng đầu vào của anten với giả thiết trở kháng 50 . Hệ số phản xạ đo đƣợc trên mẫu anten thử nghiệm nhỏ hơn -10dB trong dải tần từ 6.4 đến 9.0 GHz. Trong khi đó, kết quả S11 mô phỏng lại có giá trị lớn hơn -10 dB trong khoảng tần 7.5 đến 9.0 Ghz. Sự sai khác giữa kết quả đo và mô phỏng có thể là do nguyên nhân lỗi chế tạo trong mẫu anten thử nghiệm đầu tiên.
Các mẫu kết đồng phần cực trong mặt phẳng H (xz- plane) và mặt phẳng E (yz-plane) đƣợc chỉ ra tƣơng ứng trong hình 5 và hình 6. Điều dễ nhận thấy trong các hình vẽ này, các kết quả đo kiểm và mô