Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là anten mạch in Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi .
Hình 2.10. Cấu trúc anten vi dải [4]
Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau. Có 4 dạng anten mạch dải cơ bản:
Anten patch vi dải
Anten có patch vi dải (microstrip patch antenna, MPA) bao gồm một patch dẫn điện có hình dạng phẳng hay không phẳng trên một mặt của một chất nền điện môi, và mặt phẳng đất trên mặt còn lại của chất nền. Các cấu hình cơ bản mà được sử dụng trong thực tế được chỉ ra trong hình 2.11(a).
(a)
Hình 2.11 (a). Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thƣờng đƣợc sử dụng trong thực tế [7]
Hình 2.11 (b). Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải [7]
Gồm các tấm dẫn điện như anten patch vi dải. Tuy nhiên, anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả hai phía của lớp điện môi.
\
Hình 2.12. Các cấu hình của một vài dipole mạch in và vi dải. [7] (a). Dipole với một cặp dải gần nhau
(b). Dipole với cặp dải ở hai mặt chất nền và đƣờng tiếp điện (c). Dipole mạch in với đƣờng bao đối xứng
Anten khe mạch in
Các anten khe mạch in (printed slot antenna) có một khe được cắt trên mặt kim loại. Khe này có thể có bất kỳ hình dạng nào. Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của patch vi dải mà được chỉ ra trong hình 2.13 có thể được thực hiện lại trong dạng của một khe mạch in.
Hình 2.13. Các hình dạng anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện. [7]
Anten sóng chạy vi dải
Một anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna, MTA) gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode. Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc một tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh các sóng phản xạ trên anten.
Hình 2.14. Một vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in. [7] 2.2.2. Nguyên lý hoạt động [4]
Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ phân bố trường giữa tấm patch và mặt phảng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt tấm patch. Khi tiếp điện vào tấm patch có chiều dài bằng nửa bước sóng của tần số hoạt động, phân bố điện tích ở cả mặt trên, mặt dưới tấm patch và mặt phẳng đất được mô ta như hình 2.15.
Hình 2.15. Trƣờng E và H của anten mạch dải [4]
Lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu ở mặt dưới tấm patch làm một số điện tích bay vòng lên mặt trên tấm patch gây ra dòng Jb và Js. Do tỉ số h/W nhỏ lên lực hút giữa các điện tích trái dấu ở mặt trên của lớp GND và mặt dưới của tấm Patch là rất lớn. Do đó, điện tích tập trung chủ yếu ở mặt dưới tấm patch. Mặt khác, do lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu làm cho mật độ điện tích tập trung chủ yếu tại cạnh của phiến bức xạ. Xuất hiện hiệu ứng vùng biên (fringing field). Để đạt được hiệu suất bức xạ tốt hơn, người ta thường sử dụng một lớp đế mỏng với hằng số điện môi thấp.
Hình 2.17. Bức xạ sóng điện từ của anten mạch dải [4]
Sóng điện từ từ tấm phía trên, đi qua tấm điện môi, sau đó phản xạ trên mặt đất và bức xạ vào không gian phía trên.
2.2.3. Phƣơng Pháp tiếp điện cho anten mạch dải:
Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten vi dải nhưng chủ yếu có các phương pháp sau:
2.2.3.1. Tiếp điện bằng cáp đồng trục.
Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện. Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm dẫn điện. Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng không. Có thể tính toạ độ tiếp điểm theo công thức sau:
(1.86)
Với (1.88)
Hình 2.18. Tiếp điện bằng cáp đồng trục [7]
Hình 2.19. Sơ đồ tƣơng đƣơng khi tiếp điện bằng cáp đồng trục. [7]
2.2.3.2. Tiếp điện bằng đƣờng mạch dải.
Phương pháp này dễ thực hiện hơn cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải có độ dài g/4 để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50 tới trở kháng vào của anten.
Hình 2.20. Tiếp điện bằng đƣờng mạch dải. [7]
Hình 2.21. Sơ đồ tƣơng đƣơng khi tiếp bằng đƣờng mạch dải. [7]
2.2.3.3. Tiếp điện bằng ghép khe
Dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng. Ta ghép giữa đường mạch dải 50 với trở kháng vào của anten bằng khoảng cách s. Khoảng cách này sẽ như là thành phần điện dung C.
Hình 2.22. Tiếp điện bằng ghép khe. [7]
Hình 2.23. Sơ đồ tƣơng đƣơng tiếp điện bằng ghép khe. [7]
2.2.4. Tính phân cực của anten mạch dải
Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp.
Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten mạch dải là trường phân cực thẳng. Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng.
Hình 2.25. Đồ thì bức xạ 3 chiều khi tiếp điện bằng đƣờng mạch dải. [2]
Để tạo được trường phân cực tròn ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh của anten hoặc từ một cổng ta chia ra thành 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là /4
Hình 2.26. Tiếp điện bằng 2 đƣờng mạch dải vào hai cạnh của anten. [2]
Hình 2.27. Đồ thị bức xạ 3 chiều khi tiếp điện bằng 2 đƣờng mạch dải. [2]
Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào nó cũng có thể thu được một thành phần của tín hiệu. Điều đó là do sóng tới có góc quay biến đổi. Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ WLAN ở môi trường truyền sóng phức tạp.
2.2.5. Băng thông của anten mạch dải [1]
Độ rộng băng thông của anten mạch dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
Độ rộng băng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thực kinh nghiệm sau [1]:
(1.89) Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi.
Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.10 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten.
2.2.6. Phƣơng pháp phân tích
Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là phượng pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản, còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp.
Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi anten mạch dải hình chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm mạch dải) và đặt song song cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = d/2 do vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử mạch dải nửa sóng.[1]
Hiện nay ngoài các phương pháp trên còn có phương pháp FDTD, phương pháp này được công bố bởi Yee năm 1966 là phương pháp đơn giản nhưng hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell. FDTD đặc biệt có thể mô
phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các tham số tác động lên anten.
2.2.7. Ƣu điểm của anten vi dải
- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo. - Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng.
- Dễ dàng được gắn lên các đối tượng khác.
- Có thể tạo ra các phân cực tròn, tuyến tính chỉ đơn giản bằng cách thay đổi phương pháp tiếp điện.
- Dễ dàng chế tạo các anten có thể hoạt động với nhiều dải tần.
- Mạng phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được in cùng với cấu trúc anten.
- ...
2.2.8. Nhƣợc điểm của anten vi dải
- Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%).
- Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian. - Giới hạn độ tăng ích cực đại (~ 20 dB).
- Hiệu suất bức xạ kém. - Xuất hiện các sóng mặt. - Công suất cho phép thấp.
2.3. Anten vi dải nhiều băng tần
2.3.1. Anten vi dải 2 tần số cộng hƣởng
Anten vi dải cộng hưởng kép có thể hoạt động tại 2 tần số cộng hưởng trên các cấu trúc đơn hoặc đa bức xạ. Về lý thuyết, các anten vi dải cộng hưởng kép phải có cùng các đặc tính bức xạ và phối hợp trở kháng tại cả hai tần số cộng hưởng.
Có một số phương pháp để thiết lập anten cộng hưởng kép và được phân thành 3 loại chính:
- Kích thích anten bằng 2 mode.
- Sử dụng nhiều patch bức xạ cho anten. - Mắc tải hỗn hợp.
Kỹ thuật kích thích bằng 2 mode được thực hiện bằng cách kích thích 2 mode cộng hưởng khác nhau lên một patch vi dải đơn. Đối với cấu trúc sử dụng nhiều patch bức xạ, cộng hưởng kép đạt được bằng cách sử dụng nhiều patch bức xạ, mỗi patch cộng hưởng tại một tần số nhất định. Cấu trúc này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều patch đồng phẳng hoặc xếp chồng nhiều patch, trong đó các patch bức xạ có hình dạng giống nhau hoặc khác nhau. Các anten này hoạt động hoạt động tại 2 tần số với cùng phân cực hoặc 2 phân cực khác nhau. Khi anten vi dải được yêu cầu là phải hoạt động tại 2 tần số khác biệt, kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất là mắc tải hỗn hợp hoặc mắc tải điện kháng cho 1 patch đơn. Một số kiểu mắc tải thường sử dụng như: nhánh, khe hình V, ngắn mạch, sử dụng tụ điện và khe.
Anten vi dải 2 tần số có thể hình thành bằng cách xếp chồng 2 phần tử mạch dải, mỗi phần tử có tần số cộng hưởng riêng, và được tiếp điện nối tiếp như trên hình 2.28. Đặc tính quan trọng nhất cần lưu ý ở đây là khi một trong 2 phần tử mạch dải không cộng hưởng với tần số làm việc của phần tử kia thì nó giống như một phiến kim loại bị đoản mạch. Điều này cho phép mỗi phần tử mạch dải hoạt động độc lập tại tần số không cộng hưởng của phần tử mạch dải kia. Điều này có thể đạt được khi khoảng cách tần số nhỏ hơn 10%, hoặc khi các tần số đó là hài nhau.
Hình 2.28. Hình dạng anten mạch dải 2 băng tần.[1] (a). Tiếp điện nối tiếp cho từng phần tử
(b). Cấu trúc tƣơng đƣơng tại tần số f1
2.3.2. Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hƣởng
Ta có thể xếp chồng nhiều phần tử và tiếp điện nối tiếp để tạo thành một hệ anten mạch dải nhiều tần số. Điều quan trọng là phải tìm điểm phù hợp của mỗi phần tử để có thể đặt nguồn nuôi vào đó với trở kháng đầu vào là 50 Ω. Kích thước chính xác của phần tử tiếp điện nối tiếp và các điểm phù hợp để đặt nguồn nuôi tốt nhất là được xác định bằng thực nghiệm.
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN CHO WLAN
3.1. Yêu cầu thiết kế.
- Kích thước: Anten thiết kế cho thiết bị di động cầm tay nên yêu cầu kích thước nhỏ, gọn, có cấu trúc phẳng để có thể dễ dàng tích hợp vào thiết bị.
- Băng thông: Anten phải hoạt động được trong cả 2 dải tần của WLAN 2400 – 2485 MHz và 5180 – 5320 MHz [9] theo chuẩn Châu Âu.
- Bức xạ: Do tích hợp trong thiếp bị cầm tay di động nên anten phải bức xạ theo mô hình của một monopole đồng phẳng, bức xạ đẳng hướng để có thể thu tốt tín hiệu đến từ mọi phía.
- Yêu cầu về mặt công nghệ chế tạo: Phải tiện lợi, dễ chế tạo. Đặc biệt là có thể chế tạo ở Việt Nam để khảo sát và thử nghiệm. Giá thành chế tạo rẻ.
3.2. Phân tích và hƣớng thiết kế.
- Áp dụng cấu trúc vi dải để thiết kế anten yêu cầu.
- Thiết kế anten có băng thông hoạt động ở 2 dải tần số WLAN 2400 – 2485MHz và 5180 – 5320 MHz [9] theo chuẩn Châu Âu.
- Sử dụng công nghệ tiếp điện Ống dẫn sóng đồng phẳng CPW. Do đất và tấm patch bức xạ ở trên cùng mặt phẳng nên anten sẽ không có mặt phẳng đất chắn ở dưới. Do đó, nó sẽ bức xạ đẳng hướng, phù hợp với yêu cầu thiết kế đặt ra. - Tấm điện môi được chọn để thiết kế là FR4, =4.4, độ dày h=1.6 mm vì thực tế
vật liệu này dễ tìm kiếm ở Việt Nam
- Sử dụng phần mềm mô phỏng CST để vẽ và khảo sát mô hình anten đề xuất. Sau đó khi đạt được các tiêu chí kỹ thuật như yêu cầu thì sẽ tiến hành chế tạo thử nghiệm thực tế.
3.3. Thiết kế.
3.3.1. Thiết kế thành phần tiếp điện. 3.3.1.1. Thiết kế dựa vào lý thuyết 3.3.1.1. Thiết kế dựa vào lý thuyết
Lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp để có thể dễ dàng phối hợp trở kháng giữa feeder và anten. Ngoài ra, cách tiếp điện cho anten cũng góp phần đáng kể quyết định đến kích thước và thuộc tính của anten. Trong mô hình anten được thiết kế, cấu trúc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng được sử dụng. Ống dẫn sóng đồng phẳng có cấu trúc mỏng, góp phần đáng kể thu nhỏ kích thước anten. Các thiết kế anten gần đây còn cho thấy việc sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng có thể cho phép mở rộng băng thông.
Hình 3.1. Coplanar Waveguide [3]
Trở kháng đặc tính Zo được tính như sau:
= (1.90) Trong đó: = (1.91) (1.92) k= , , a=W và b=W+2S (1.93) , (1.94) (1.95) (1.96) Đối với công thức (1.90) ta có:
(1.97)
(1.98) (1.99)
(1.100)
Vì vậy nếu xác định được các thông số như , độ cao h, trở kháng đặc tính Zo, ta hoàn toàn có thể xác định được độ rộng đường vi dải W và khoảng cách giữa đường vi dải và mặt phẳng đất S.
3.3.1.2. Thiết kế dựa vào phần mềm CST Studio Suite 2013
Một cách khác để thiết kế đường truyền vi dải là dùng phần mềm CST Studio Suite 2013. Phần mềm này tính toán rất nhanh và chính xác. Nhờ đó mà ta không phải mất thời gian tính toán bằng lý thuyết.
Chúng ta sẽ xác định độ rộng W của đường vi dải và khoảng cách G giữa đường