CHƯƠNG 5: ĂNGTEN VID ẢIVÀ ĂNGTEN UWB VID Ả
5.3.2. Đặc trưng của ăngten trong hoàn cảnh băng thông siêu rộng a Băng thông ăngten vi dải UWB
Thông thường băng thông của ăngten nói chung được định nghĩa là dải tần số mà trên đó, đặc tính quan trọng của ăngten như: đồ thị phương hướng, trở kháng vào của ăngten, hệ số định hướng… là nằm trong một giới hạn nhất
định, ít thay đổi. Đối với ăngten mạch vi dải, loại ăngten này có một yếu điểm lớn là hiệu suất bức xạ rất bé do đó, băng thông của loại ăngten này thường
Trong đó BW là băng thông, Q là hệ số chất lượng của ăngten. Đối với
ăngten 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
ăngten cũng được hiểu như trên.
5.3.2.b. Đồ thị phương hướng
Đểđạt được băng thông siêu rộng từ 3.1 tới 10.6 GHz hầu hết tất cả các loại ăngten vi dải UWB đều buộc phải có hơn một mode sóng. (Khái niệm mode sóng hay cấu hình trường được đề cập ở mục 5.2.3.a). Ăngten 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 ăngten hoạt động ở một mode sóng duy nhất là loại ăngten hoạt động ở chế độ cộng hưởng. Đây cũng là trường hợp của loại ăngten 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 ăngten 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 ăngten băng thông rộng. Điều đáng nói ở đây là: việc có nhiều mode sóng đã khiến cho đồ thị phương hướng của ăngten 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
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 ăngten sẽ phụ thuộc vào tần số.
Luận điểm vừa nêu trên khiến cho việc thiết kếăngten vi dải băng siêu rộng gặp có vẻ gặp nhiều khó khăn, vì thiết kếăngten có đồ thị phương hướng
ổn định trên một 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).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 ăngten phải có đồ thị phương hướng cốđịnh.Vả lại, còn một nguyên nhân khác quan trọng không kém đểđồ thị phương hướng của ăngten 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 ăngten chắc chắn bị thay đổi. (Vị trí tương đối giữa ăngten phát và ăngten thu thay
đổi nên đồ thị phương hướng của ăngten này so với ăngten 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 nhưđã 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 kếđồ thị phương hướng là có dạng đẳng hướng phẳng (omnidirectional) chứ không nhất thiết phải cố định
(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. Ăngten isotropic là bức xạ đẳng hướng trong không gian tức bức xạ đều theo mọi hướng trong không gian. Lý do đểđồ thị phương hướng của ăngten UWB nên
đẳng hướng phẳng là để có thể thu được nhiều nhất các thành phần đa đường
đi tới ăngten với nhiều hướng khác nhau.
5.3.2.c. Trở kháng vào của ăngten UWB
Như ta đã biết ăngten băng hẹp truyền thống hoạt động ở chế độ cộng hưởng mà một ví dụ đơn giản là ăngten chấn tử nửa sóng. Loại ăngten này hoạt động theo cơ chế nửa bước sóng, tức tại tần số mà bước sóng tương ứng gấp đôi kích thước điện của ăngten thì trở kháng của ăngten 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 ăngten. Kích thước vật lý là kích thước thông thường của ăngten mà ta nhìn thấy. Tuy vậy vì một vài hiệu ứng, như hiệu
ứng đường viền (fringing) đã trình bày ở 5.2.2.a chẳng hạn buộc 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 ăngten. Nói một cách khác, nhìn dưới góc độ tương tác điện từ, ăngten 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 ăngten, những qui luật tương tác điện từ nói trên không còn đúng nữa, buộc lòng ta phải hiệu chỉnh và được kích thước điện.
Ăngten 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 ăngten cũng không nhất thiết phải có phần ảo bằng 0. Thay vào đó, đồ thị
trở kháng vào của ăngten vi dải UWB sẽ xuất hiện vòng lặp (loop). Nếu
ăngten thể hiện một sự phối hợp trở kháng tốt tại dải tần này tức có hệ số sóng
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 ăngten có biên độđạt cực trị. Cụ thể hơn, nó chứng tỏ trở kháng của ăngten 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 ăngten tạo vòng lặp ta có một chếđộ cộng hưởng.
Tóm lại, nếu trở kháng vào của ăngten 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 ăngten UWB trở kháng vào của ăngten sẽ có xu hướng tạo vòng lặp.
5.3.2.d. Hệ số tăng ích
Hệ số tăng ích là một thông số quan trọng của ăngten vì nó vừa thể hiện
được tính định hướng của ăngten vừa thể hiện được hiệu suất bức xạ của
ăngten. 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 ăngten UWB, trên một dải tần rộng cỡ hàng GHz với sự xuất hiện của nhiều mode sóng và vì đồ thị phương hướng biến
Làm thế nào để có hệ số tăng ích tương đối ổn định là một tiêu chí cần xem xét trong quá trình thiết kếăngten.