Khoa Luan Ve Anten

8/8/2019 Khoa Luan Ve Anten

http://slidepdf.com/reader/full/khoa-luan-ve-anten 1/84

Khóa luận t ố t nghiệ p đại học Ngành: Thông tin vô tuyế n

LỜ I CẢM Ơ N

Em xin chân thành cảm ơ n Tiến s ĩ Tr ần Minh Tuấn, thầy đã tận tình hướ ng dẫn, giúpđỡ em trong suốt thờ i gian thực hiện khóa luận. Không có sự giúp đỡ và những lờ ikhuyên vô giá của thầy, khóa luận của em không thể đượ c hoàn thành.

Thêm nữa, em cũng muốn bày tỏ lờ i cảm ơ n tớ i GS. Phan Anh và Ths. Tr ần Thị ThúyQuỳnh đã k ị p thờ i tr ả lờ i những câu hỏi và những thắc mắc của em trong quá trìnhthực hiện khóa luận, cũng như đã tạo điều kiện thuận lợ i để em sử dụng các thiết bị,máy móc trong phòng thí nghiệm để thực hiện chế tạo và đo đạc thực nghiệm.

Cuối cùng, em muốn cảm ơ n sâu sắc tớ i gia đình em. Gia đình đã yêu thươ ng, ủng hộ và giúp đỡ em không chỉ trong thờ i gian làm khóa luận mà trong cả khóa học.

Hà Nội, tháng 06 năm 2008Sinh viên

Lư u Văn Hoan

Sinh viên: Lư u V ă n Hoan Lớ p K49 Thông tin vô tuyế ni




TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN

Khóa luận tậ p trung nghiên cứu, thiết k ế, chế tạo một anten vi dải băng r ộng, có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần. Anten này sử dụng cho các thiết bị di động hoạt độngtrong các dải tần GSM, DCS, PCS, UTMS, WLAN. Anten đượ c chế tạo trên chất nềncó hằng số điện môi εr = 4.4, độ dày là 0.8 mm và đượ c thiết k ế tại tần số 900 MHz và2000 MHz.

Nội dung khóa luận bao gồm 4 chươ ng và phần đánh giá k ết quả khóa luận và hướ ng phát triển tiế p theo. Trong đó có thể chia thành hai phần vớ i nội dung như sau:

Phần đầu tiên của khóa luận đề cậ p tớ i lý thuyết cơ bản về anten, anten vi dải vàđườ ng truyền vi dải. Chươ ng 1 giớ i thiệu và định ngh ĩ a anten, nêu ra một số tham số cơ bản để đánh giá hiệu suất của anten như: giản đồ bức xạ, công suất bức xạ, hệ số định hướ ng, hệ số tăng ích, phân cực, tr ở kháng vào, … Tiế p theo là khái niệm về anten vi dải: các ưu điểm, nhượ c điểm và một số loại anten vi dải đã đượ c nghiên cứuvà thiết k ế. Một số điểm tổng quát về đườ ng truyền vi dải cũng đượ c trình bày.Chươ ng 2 đưa ra các phươ ng pháp để thiết k ế anten vi dải băng r ộng và anten vi dải cóthể hoạt động tại nhiều băng tần. Trong đó, một số phươ ng pháp để thiết k ế anten vidải đượ c trình bày như: phươ ng pháp phối hợ p tr ở kháng liên tục, phươ ng pháp sử dụng chất nền dày hơ n, phươ ng pháp kích thích đa mode, phuơ ng pháp sử dụng nhiều

patch xế p chồng nhau, … Đồng thờ i đưa ra các phươ ng pháp để thiết lậ p anten vi dảicó khả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau. Việc thiết k ế các anten băng r ộngvà đa dải tần đáp ứng xu thế tích hợ p, thu nhỏ kích thướ c cho các thiết bị di động đanăng.

Phần thứ hai đi vào thiết k ế, mô phỏng và đo đạc các tham số của anten. Chươ ng 3trình bày phươ ng pháp thiết k ế các thành phần của anten: thành phần bức xạ, bộ phốihợ p tr ở kháng dải r ộng, và đườ ng truyền vi dải 50 . Chươ ng 4 trình bày quá trình mô

phỏng, qui trình thiết k ế và đo đạc thực nghiệm. Phần mô phỏng giớ i thiệu về phầnmềm Ansoft HFSS, phần mềm đượ c sử dụng trong mô phỏng các bài toán điện từ 3D.Trong đó trình bày việc thiết đặt các tham số quan tr ọng để thực hiện phân tích cấutrúc anten, k ết quả mô phỏng cấu trúc anten có nhánh điều chỉnh và không có nhánhđiều chỉnh. Sau khi quá trình thiết k ế, mô phỏng đã hoàn thành (đạt đượ c các tiêu chíyêu cầu), tiến hành chế tạo và đo đạc các tham số của anten sử dụng máy Network Analyse và hệ đo tr ườ ng bức xạ của anten.

K ết quả đo đạc thực nghiệm và k ết quả mô phỏng cho anten đượ c thiết k ế trong khóaluận tươ ng đối phù hợ p nhau. Dựa vào việc phân tích k ết quả và phân tích qui trìnhchế tạo anten, khóa luận đưa ra các nguyên nhân gây ra sai lệch. Đồng thờ i đề ra

phươ ng hướ ng giải quyết và phươ ng hướ ng nghiên cứu tiế p theo nhằm cải thiện các

đặc tính của anten.

Sinh viên: Lư u V ă n Hoan Lớ p K49 Thông tin vô tuyế nii




MỤC LỤCLỜI CẢM Ơ N...................................................................................................................i TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬ N ......................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................1

Chươ ng 1: Lý thuyết cơ bản về anten và anten vi dải1.1. Lý thuyết chung về anten .........................................................................................3

1.1.1. Giớ i thiệu...........................................................................................................3 1.1.2. Các tham số cơ bản của anten ...........................................................................5

1.1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bở i một anten .......................................................5 1.1.2.2. Giản đồ bức xạ ...........................................................................................6 1.1.2.3. Mật độ công suất bức xạ ..........................................................................10 1.1.2.4. Cườ ng độ bức xạ......................................................................................11 1.1.2.5. Hệ số định hướ ng.....................................................................................12 1.1.2.6. Hệ số tăng ích ..........................................................................................13 1.1.2.7. Băng thông...............................................................................................14 1.1.2.8. Phân cực...................................................................................................15 1.1.2.9. Tr ở kháng vào ..........................................................................................17

1.2. Đườ ng truyền vi dải và anten vi dải .......................................................................18 1.2.1. Đườ ng truyền vi dải ........................................................................................18

1.2.1.1. Cấu trúc đườ ng truyền vi dải ...................................................................18 1.2.1.2. Cấu trúc tr ườ ng của đườ ng truyền vi dải.................................................18

1.2.2. Anten vi dải .....................................................................................................19 1.2.2.1. Giớ i thiệu chung ......................................................................................19 1.2.2.2. Một số loại anten vi dải cơ bản................................................................20 1.2.2.3. Anten patch hình chữ nhật .......................................................................22

Chươ ng 2: Anten mạch dải băng rộng và anten mạch dải nhiều băng tần2.1. Giớ i thiệu chung .....................................................................................................24

2.1.1. Dải thông tần ...................................................................................................24 2.1.2. Dải tần công tác...............................................................................................25

2.2. Mở r ộng băng thông của anten vi dải .....................................................................25

2.2.1. Giớ i thiệu.........................................................................................................25 2.2.2. Ảnh hưở ng của các tham số chất nền tớ i băng thông .....................................27 2.2.3. Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợ p ..........................................28 2.2.4. Lựa chọn k ỹ thuật tiế p điện thích hợ p.............................................................29 2.2.5. K ỹ thuật kích thích đa mode ...........................................................................30

2.2.5.1. Mở r ộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bức xạ xế p chồng.........30 2.2.5.2. Mở r ộng băng thông sử dụng các thành phần kí sinh đồng phẳng..........31 2.2.5.3. Các k ỹ thuật kích thích đa mode khác .....................................................35

2.2.6. Các k ỹ thuật mở r ộng băng thông khác ..........................................................35 2.2.6.1. Phối hợ p tr ở kháng...................................................................................36

2.2.6.2. Mắc tải điện tr ở ........................................................................................37

Sinh viên: Lư u V ă n Hoan Lớ p K49 Thông tin vô tuyế niii




2.3. Anten vi dải nhiều băng tần....................................................................................37 2.3.1. Anten vi dải 2 tần số cộng hưở ng ...................................................................37 2.3.2. Anten vi dải nhiều hơ n 2 tần số cộng hưở ng ..................................................38

2.4. Phối hợ p tr ở kháng dải r ộng ...................................................................................39 2.4.1. Ý ngh ĩ a của việc phối hợ p tr ở kháng ..............................................................39

2.4.2. Phối hợ p tr ở kháng dải r ộng............................................................................39 2.4.3. Một số bộ phối hợ p tr ở kháng dải r ộng...........................................................42

2.4.3.1. Bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục dạng hàm mũ .........................................42 2.4.3.2. Bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục dạng tam giác.........................................43 2.4.3.3. Bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục Klopfenstein...........................................44

2.4.4. Tiêu chuẩn Bode – Fano .................................................................................46

Chươ ng 3: Thiết k ế anten dẹt cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng đườ ng truyền vi dải3.1. Giớ i thiệu................................................................................................................48 3.2. Thiết k ế thành phần bức xạ ....................................................................................49 3.3. Thiết k ế thành phần phối hợ p tr ở kháng dải r ộng ..................................................50

3.3.1. So sánh một số bộ phối hợ p tr ở kháng dải r ộng..............................................50 3.3.2. Lựa chọn bộ phối hợ p tr ở kháng dải r ộng.......................................................52

3.4. Thiết k ế đườ ng truyền vi dải 50 .........................................................................53 3.4.1. Thiết k ế vớ i Ansoft Designer 2.0 ....................................................................53 3.4.2. Thiết k ế dựa vào lý thuyết đườ ng truyền vi dải ..............................................54

3.4.2.1. Tr ở kháng đặc tr ưng Z0 ............................................................................54 3.4.2.2. Bướ c sóng trên đườ ng vi dải λ .................................................................55 3.4.2.3. Công suất cho phép trung bình Pav ..........................................................57 3.4.2.4. Công suất cho phép tối đa P

p...................................................................58

Chươ ng 4: Mô phỏng, chế tạo và đo đạc các tham số của anten4.1. Mô phỏng cấu trúc anten vớ i phần mềm Ansoft HFSS..........................................59

4.1.1. Phần mềm HFSS phiên bản 9.1.......................................................................59 4.1.2. K ết quả mô phỏng vớ i HFSS 9.1 ....................................................................61

4.2. Chế tạo anten ..........................................................................................................67 4.3. Đo đạc các tham số của anten.................................................................................69

PHỤ LỤC ......................................................................................................................73

A. Phụ lục 1: Thuật toán chia lướ i thích nghi của Ansoft HFSS 9.1........................73 B. Phụ lục 2: Một số lưu ý về thiết đặt các tham số trong HFSS..............................74 B.1. Solution Setup ...............................................................................................74 B.2. Mesh Operations ...........................................................................................77 B.3. Radiation Boundary ......................................................................................78

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................80

Sinh viên: Lư u V ă n Hoan Lớ p K49 Thông tin vô tuyế niv




LỜ I NÓI ĐẦU

Truyền thông không dây đã phát triển r ất nhanh trong những năm gần đây, theo đó cácthiết bị di động đang tr ở nên càng ngày càng nhỏ hơ n. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải đượ c thu nhỏ kíchthướ c. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và antenmạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấ p dẫn như kích thướ c nhỏ và dễ gắn lêncác thiết bị đầu cuối, …; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết k ế ở trên. Cũng

bở i lí do này, k ỹ thuật thiết k ế anten phẳng băng r ộng đã thu hút r ất nhiều sự quan tâmcủa các nhà nghiên cứu anten.

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mớ i đượ c thiết k ế thỏa mãn cácyêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồmGSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (DigitalCommunication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System,1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã đượ c phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten

phẳng cũng r ất thích hợ p đối vớ i ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thốngmạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).

Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹ p, và mở r ộng băng thông thườ ng là nhu cầu đốivớ i các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thướ c và mở r ộng băngthông đang là xu hướ ng thiết k ế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải.

Nhiều sự cải tiến đáng k ể để thiết k ế anten vi dải “nén” vớ i đặc tính băng r ộng, nhiều băng tần, hoạt động vớ i cả hai loại phân cực, phân cực tròn và tăng ích cao đã đượ c báo cáo trong một vài năm gần đây.

Khóa luận tậ p trung thiết k ế một anten vi dải băng r ộng và đa dải tần. Đồng thờ i sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết k ế và mô phỏng. HFSS sử dụng phươ ng pháp

phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), k ỹ thuật chia lướ i thích nghi(adaptive meshing) và giao diện đồ họa đẹ p để mang đến sự hiểu biết sâu sắc đối vớ itất cả các bài toán tr ườ ng điện từ 3D.

Khóa luận gồm 4 chươ ng:Chươ ng 1: Lý thuyế t cơ bản về anten và anten vi d ải

Chươ ng 2: Anten mạch d ải bă ng r ộng và anten mạch d ải nhiề u bă ng t ầnChươ ng 3: Thiế t k ế anten d ẹt cấ u trúc xoắ n, tiế p đ iện dùng đườ ng truyề n vi d ải

Chươ ng 4: Mô phỏng, chế t ạo và đ o đạc các tham số của anten

Bằng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, k ết hợ p vớ i mô phỏng khóa luận đã

thực hiện đượ c những nội dung chính sau đây:

Sinh viên: Lư u V ă n Hoan Lớ p K49 Thông tin vô tuyế n1




Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten vi dải. Nêu ra nguyên lý và các phươ ng pháp để xây dựng anten vi dải băng r ộng và

anten có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần. Thiết k ế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải dẹt có cấu trúc xoắn, tiế p điện dùng

đườ ng truyền mạch dải. Đo đạc và đánh giá các đặc tính của anten đượ c thiết k ế như: tần số cộng

hưở ng, băng thông, tr ở kháng vào, giản đồ bức xạ.





LÝ THUY Ế T CƠ B ẢN V Ề ANTEN VÀ ANTEN VI D ẢICHƯƠ NG 1

Tóm t ắ t Chươ ng này trình bày các vấ n đề sau:

Định nghĩ a anten

Các tham số cơ bản của anten

Đườ ng truyề n vi d ải

Anten vi d ải, mô t ả cụ thể anten vi d ải có patch hình chữ nhật

1.1. Lý thuyết chung về anten1.1.1. Giớ i thiệu

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên ngoài đượ c gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiế pgiữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình1.1. Thông thườ ng giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thukhông nối tr ực tiế p vớ i nhau mà đượ c ghép vớ i nhau qua đườ ng truyền năng lượ ngđiện từ, gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điệncao tần. Dao động điện sẽ đượ c truyền đi theo fide tớ i anten phát dướ i dạng sóng điệntừ ràng buộc. Ngượ c lại, anten thu sẽ tiế p nhận sóng điện từ tự do từ không gian bênngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này đượ c truyền theo fidetớ i máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi

năng lượ ng vớ i hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu.

Hình 1.1. Anten như một thiế t bị truyề n sóng [3]





Phươ ng trình tươ ng đươ ng Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ở chế độ phát đượ c thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn đượ c thể hiện bở i bộ tạo dao động lýtưở ng, đườ ng truyền dẫn đượ c thể hiện bở i đườ ng dây vớ i tr ở kháng đặc tr ưng Zc, vàanten đượ c thể hiện bở i tải ZA, trong đó ZA=(R L + R r )+jXA. Tr ở kháng tải R L thể hiệnsự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), 2 thành phần mấtmát này luôn gắn vớ i cấu trúc anten. Tr ở kháng R r đượ c gọi là tr ở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bở i anten. Điện kháng XA thể hiện phần ảo của tr ở khángk ết hợ p vớ i sự bức xạ bở i anten. Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn có tr ườ ngđiện từ dao động ở gần anten, giàng buộc vớ i anten. Phần công suất này không bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượ ng điện tr ườ ng, khi thì chuyển thành nănglượ ng từ tr ườ ng thông qua việc trao đổi năng lượ ng vớ i nguồn. Công suất này gọi làcông suất vô công, và đượ c biểu thị thông qua điện kháng XA. Trong điều kiện lýtưở ng, năng lượ ng tạo ra bở i nguồn sẽ đượ c truyền hoàn toàn tớ i tr ở kháng bức xạ R r .Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các mất mát do điện môi và mấtmát do vật dẫn (tùy theo bản chất của đườ ng truyền dẫn và anten), cũng như tùy theosự mất mát do phản xạ (do phối hợ p tr ở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiế p điện giữađườ ng truyền và anten.

Hình 1.2. Phươ ng trình t ươ ng đươ ng Thevenin cho hệ thố ng anten trong hình 1.1 [3]

Sóng tớ i bị phản xạ tại điểm tiế p điện giữa đườ ng truyền dẫn và đầu vào anten. Sóng phản xạ cùng vớ i sóng truyền đi từ nguồn thẳng tớ i anten giao thoa nhau tạo thànhsóng đứng (standing wave) trên đườ ng truyền dẫn. Khi đó trên đườ ng truyền xuất hiệncác nút và bụng sóng đứng. Một mô hình sóng đứng điển hình đượ c thể hiện là đườ nggạch đứt trong hình 1.2. Nếu hệ thống anten đượ c thiết k ế không chính xác, đườ ngtruyền có thể chiếm vai trò như một thành phần lưu giữ năng lượ ng hơ n là một thiết bị truyền năng lượ ng và dẫn sóng. Nếu cườ ng độ tr ườ ng cực đại của sóng đứng đủ lớ n,chúng có thể phá hủy đườ ng truyền dẫn. Tổng mất mát phụ thuộc vào đườ ng truyền,cấu trúc anten, sóng đứng. Mất mát do đườ ng truyền có thể đượ c tối thiểu hóa bằngcách chọn các đườ ng truyền mất mát thấ p, trong khi mất mát do anten có thể đượ cgiảm đi bằng cách giảm tr ở kháng bức xạ R L trong hình 1.2. Sóng đứng có thể đượ cgiảm đi và khả năng lưu giữ năng lượ ng của đườ ng truyền đượ c tối thiểu hóa bằngcách phối hợ p tr ở kháng của anten vớ i tr ở kháng đặc tr ưng của đườ ng truyền. Tức là

phối hợ p tr ở kháng giữa tải vớ i đườ ng truyền, ở đây tải chính là anten.

Một phươ ng trình tươ ng tự như hình 1.2 đượ c sử dụng để thể hiện hệ thống antentrong chế độ thu, ở đó nguồn đượ c thay bằng một bộ thu. Tất cả các phần khác của





phươ ng trình tươ ng đươ ng là tươ ng tự. Tr ở kháng phát xạ R r đượ c sử dụng để thể hiệntrong chế độ thu nhận năng lượ ng điện từ từ không gian tự do truyền tớ i anten.

Cùng vớ i việc thu nhận hay truyền phát năng lượ ng, anten trong các hệ thống khôngdây thườ ng đượ c yêu cầu là định hướ ng năng lượ ng bức xạ mạnh theo một vài hướ ngvà triệt tiêu năng lượ ng ở các hướ ng khác. Do đó, anten cũng cần phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướ ng tính. Hơ n nữa, anten cũng phải có các hình dạng khác nhauđể phù hợ p cho các mục đích cụ thể.

Anten là một l ĩ nh vực sôi động. Công nghệ anten đã là một phần không thể thiếu trongcác giải pháp truyền thông. Nhiều sự cải tiến đã đượ c đưa ra trong thờ i gian cách đâyhơ n 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay; tuy nhiên các k ết quả mớ i và những thay đổiđã đượ c đưa ra ngày nay, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày càng lớ n hơ n.

1.1.2. Các tham số cơ bản của antenPhần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ sóng, tr ườ ng bức xạ và giản đồ tr ườ ng bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướ ng,tần số cộng hưở ng, tr ở kháng, băng thông, tăng ích, …

1.1.2.1. Sự bứ c xạ sóng điện từ bở i một antenKhi năng lượ ng từ nguồn đượ c truyền tớ i anten, 2 tr ườ ng đượ c tạo ra. Một tr ườ ng làtr ườ ng cảm ứng (tr ườ ng khu gần), tr ườ ng này giàng buộc vớ i anten; còn tr ườ ng kia làtr ườ ng bức xạ (tr ườ ng khu xa). Ngay tại anten (trong tr ườ ng gần), cườ ng độ của cáctr ườ ng này lớ n và tỉ lệ tuyến tính vớ i lượ ng năng lượ ng đượ c cấ p tớ i anten. Tại khu xa,chỉ có tr ườ ng bức xạ là đượ c duy trì. Tr ườ ng khu xa gồm 2 thành phần là điện tr ườ ngvà từ tr ườ ng (xem hình 1.3).

Hình 1.3. Các tr ườ ng bứ c xạ t ại khu xa [8]

Cả hai thành phần điện tr ườ ng và từ tr ườ ng bức xạ từ một anten hình thành tr ườ ngđiện từ. Tr ườ ng điện từ truyền và nhận năng lượ ng điện từ thông qua không gian tự do.Sóng vô tuyến là một tr ườ ng điện từ di chuyển. Tr ườ ng ở khu xa là các sóng phẳng.Khi sóng truyền đi, năng lượ ng mà sóng mang theo tr ải ra trên một diện tích ngày cànglớ n hơ n. Điều này làm cho năng lượ ng trên một diện tích cho tr ướ c giảm đi khi khoảngcách từ điểm khảo sát tớ i nguồn tăng.





1.1.2.2. Giản đồ bứ c xạ Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bở i anten hình thành một tr ườ ng điện từ vớ i một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten đượ c sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể hiện cácđặc tính định hướ ng của anten.

Giản đồ bức xạ của anten đượ c định ngh ĩ a như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian”.Trong hầu hết các tr ườ ng hợ p, giản đồ bức xạ đượ c xét ở tr ườ ng xa. Đặc tính bức xạ làsự phân bố năng lượ ng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó làhàm của vị trí quan sát dọc theo một đườ ng hay một bề mặt có bán kính không đổi. Hệ tọa độ thườ ng đượ c sử dụng để thể hiện tr ườ ng bức xạ trong hình 1.4.

Hình 1.4. H ệ thố ng t ọa độ để phân tích anten [3]

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bở i hai giản đồ 2D. Thông thườ ng chỉ quan tâm tớ i giản đồ là hàm của biến θ vớ i vài giá tr ị đặc biệt của φ , và giản đồ là

hàm của φ vớ i một vài giá tr ị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cầnthiết.

Gi ản đồ đẳ ng hướ ng và hướ ng tính

Anten đẳng hướ ng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướ ng. Mặc dùnó là lý tưở ng và không thể thực hiện đượ c về mặt vật lý, nhưng ngườ i ta thườ ng sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướ ng tính của anten thực. Antenhướ ng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vàihướ ng hơ n các hướ ng còn lại.





Một ví dụ của anten vớ i giản đồ bức xạ hướ ng tính đượ c thể hiện trong hình 1.5. Tanhận thấy r ằng giản đồ này là không hướ ng tính trong mặt phẳng chứa vector H(azimuth plane) vớ i [ 2/),( π θ φ = f ] và hướ ng tính trong mặt phẳng chứa vector E(elevation plane) vớ i ]),([ const g =φ θ .

Hình 1.5. Giản đồ bứ c xạ vô hướ ng của một anten [3]

Mặt phẳng E đượ c định ngh ĩ a là “mặt phẳng chứa vector điện tr ườ ng và hướ ng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H đượ c định ngh ĩ a là “mặt phẳng chứa vector từ tr ườ ng vàhướ ng bức xạ cực đại”. Trong thực tế ta thườ ng chọn hướ ng của anten thế nào để ítnhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng vớ i một trong các mặt phẳng

tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z). Một ví dụ đượ c thể hiện trong hình 1.6. Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (vớ i 0=φ ) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (vớ i 2/π θ = ) là mặt phẳng H.

Hình 1.6. Giản đồ bứ c xạ trong mặ t phẳ ng E và mặ t phẳ ng H cho anten loa [3]





Các búp sóng của gi ản đồ bứ c x ạ hướ ng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướ ng hay còn gọi là các thùy (lobe)có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau. Hình 1.7(a) minhhọa giản đồ cực 3D đối xứng vớ i một số thùy bức xạ. Một vài thùy có cườ ng độ bứcxạ lớ n hơ n các thùy khác. Nhưng tất cả chúng đều đượ c gọi là các thùy. Hình 1.7(b)thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 1.7(a)).

Hình 1.7. Các búp sóng của anten bứ c xạ hướ ng tính [3](a). Thùy bứ c xạ và độ r ộng chùm của anten(b). Đồ thị của giản đồ công suấ t và các thùy và các độ r ộng chùm k ế t hợ p vớ i nó

Thùy chính (cũng đượ c gọi là chùm chính) đượ c định ngh ĩ a là “thùy chứa hướ ng bứcxạ cực đại”. Trong hình 1.7, thùy chính đang chỉ theo hướ ng 0=θ . Có thể tồn tạinhiều hơ n một thùy chính. Thùy phụ là bất k ỳ thùy nào, ngoại tr ừ thùy chính. Thườ ngthườ ng, thùy bên là thùy liền sát vớ i thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướ ng củachùm chính. Thùy sau là “thùy bức xạ mà tr ục của nó tạo một góc xấ p xỉ 180 độ so vớ i

thùy chính. Thườ ng thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theo hướ ng ngượ c vớ i thùy chính.





Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướ ng không mong muốn, và chúng phải đượ ctối thiểu hóa. Thùy bên thườ ng là thùy lớ n nhất trong các thùy phụ. Cấ p của thùy phụ đượ c thể hiện bở i tỷ số của mật độ công suất theo hướ ng của thùy đó vớ i mật độ côngsuất của thùy chính. Tỉ số này đượ c gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấ p thùy bên.

Tr ườ ng khu g ần và tr ườ ng khu xa

Không gian bao quanh một anten đượ c chia thành 3 vùng; (a) tr ườ ng gần tác động tr ở lại (reactive near-field), (b) tr ườ ng gần bức xạ (radiating near-field, Fresnel) và (c)tr ườ ng xa (Fraunhofer) như chỉ ra trong hình 1.8.

Các vùng tr ườ ng đượ c phân định như vậy để xác định cấu trúc tr ườ ng trong mỗi vùng.Không có sự thay đổi tr ườ ng đột ngột nào khi đi qua biên giớ i giữa các vùng nói trên.Các biên phân giớ i các vùng tr ườ ng không phải là duy nhất, do có nhiều tiêu chuẩnkhác nhau sử dụng để xác định các vùng tr ườ ng.

Vùng tr ườ ng g ần tác động tr ở l ại (reactive near-field region) đượ c định ngh ĩ a là“phần không gian tr ườ ng gần tr ực tiế p bao quanh anten, xét ở khía cạnh tr ườ ng tácđộng tr ở lại chiếm ưu thế”. Tr ườ ng này giàng buộc vớ i nguồn bức xạ và trao đổi nănglượ ng vớ i nguồn. Vớ i hầu hết các anten, biên của vùng này đượ c tính tại khoảng cách

λ /62.0 3 D R < tính từ mặt phẳng anten, ở đó λ là bướ c sóng và D là đườ ng kính lớ nnhất của anten.

Hình 1.8. Các vùng tr ườ ng của một anten [3]

Vùng tr ườ ng g ần bứ c xạ (radiating near-field (Fresnel) region) đượ c định ngh ĩ a là“phần không gian nằm giữa tr ườ ng gần tác động tr ở lại và tr ườ ng xa, xét ở khía cạnhtr ườ ng bức xạ chiếm ưu thế”. Nếu đườ ng kính cực đại của anten không lớ n hơ n so vớ i

bướ c sóng, vùng này có thể không tồn tại. Biên trong đượ c tính ở khoảng cách

λ /62.0 3 D R ≥ và biên ngoài ở khoảng cách , trong đó D là kích thướ clớ n nhất của anten.

λ /2 2 D R <





Vùng tr ườ ng xa (Far-field (Fraunhofer) region). Nếu anten có kích thướ c lớ n nhất làD (D phải lớ n hơ n bướ c sóng, λ > D ), vùng tr ườ ng xa thườ ng đượ c xem là tồn tại ở khoảng cách lớ n hơ n tính từ anten. Trong vùng này, tr ườ ng là tr ườ ng điện từ ngang. Biên bên trong đượ c xem như ở khoảng cách và biên ngoài ở vôcực. Trong vùng tr ườ ng xa, dạng của giản đồ bức xạ hầu như không thay đổi khi dịchchuyển điểm quan sát ra xa dần. Điều này đượ c minh họa trong hình 1.9.

λ /2 2 D

λ /2 2 D R =

Hình 1.9. Giản đồ bứ c xạ tr ườ ng xa của anten parabol t ại các khoảng cách R khác

nhau [3]

1.1.2.3. Mật độ công suất bứ c xạ Sóng điện từ đượ c sử dụng để truyền tải thông tin qua môi tr ườ ng vô tuyến hay cấutrúc dẫn sóng, từ điểm này tớ i điểm khác. Đại lượ ng đượ c sử dụng để mô tả nănglượ ng k ết hợ p vớ i sóng điện từ là vector Poynting tức thờ i đượ c định ngh ĩ a như sau:

(2.1)Ở đó, vector Poynting tức thờ i (W/m2)

cườ ng độ điện tr ườ ng tức thờ i (V/m)cườ ng độ từ tr ườ ng tức thờ i (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu đượ c bằng cách tích phân thành phần pháp tuyến vớ i mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó. Phươ ng trình là:

( 2.2)Trong đó, tổng công suất tức thờ i (W)

vector đơ n vị pháp tuyến vớ i bề mặt

vi phân diện tích của bề mặt (m2

)





Khi tr ườ ng biến đổi theo thờ i gian, ta thườ ng tìm mật độ năng lượ ng trung bình bằngcách tích phân vector Poynting tức thờ i trong 1 chu k ỳ và chia cho chu k ỳ. Khi tr ườ ng

biến đổi tuần hoàn theo thờ i gian có dạng , ta định ngh ĩ a các tr ườ ng phức E vàH, chúng có quan hệ vớ i các thành phần tức thờ i

t je ω

và bở i công thức:

(2.3)

(2.4)

Ta có ][2

1]Re[ * t jt jt j e E Ee Ee ω ω ω −+= . Khi đó (2.1) có thể đượ c viết lại là:

(2.5)Thành phần đầu tiên của (2.5) không biến đổi theo thờ i gian, và thành phần thứ hai

biến đổi theo thờ i gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho tr ướ c. Vector Poynting trung bình theo thờ i gian (mật độ công suất trung bình) có thể đượ c viết lại là:

(2.6)Thành phần ½ xuất hiện trong (2.5) và (2.6) bở i vì các tr ườ ng E và H tính theo biênđộ.

Dựa trên định ngh ĩ a (2.6), công suất trung bình bức xạ bở i anten (công suất bức xạ) cóthể đượ c định ngh ĩ a là:

(2.7)

1.1.2.4. Cườ ng độ bứ c xạ Cườ ng độ bức xạ theo một hướ ng cho tr ướ c đượ c định ngh ĩ a như sau: “năng lượ ngđượ c bức xạ từ anten trên một đơ n vị góc đặc”. Cườ ng độ bức xạ là tham số tr ườ ng xa,và đượ c tính bằng cách đơ n giản là nhân mật độ bức xạ vớ i bình phươ ng của khoảngcách.

(2.8)rad W r U 2=

Ở đó, U là cườ ng độ bức xạ (W/đơ n vị góc đặc).Wrad là mật độ bức xạ (W/m2).

Cườ ng độ bức xạ cũng có quan hệ vớ i điện tr ườ ng trong tr ườ ng xa của anten bở i:

]),(),([2

1

]),,(),,([2

],,([2

),(

22

222

22

φ θ φ θ η

φ θ φ θ η

φ θ η

φ θ

φ θ

φ θ

oo E E

r E r E r

r E r

U

+≈

+≈=

(2.8a)

Ở đó: η là tr ở kháng sóng của môi tr ườ ng.





r

e E r E

jkr o

−

= ),(),,( φ θ φ θ là cườ ng độ điện tr ườ ng trong tr ườ ng xa của anten.

φ θ E E , là các thành phần điện tr ườ ng trong tr ườ ng xa của anten.

Tổng công suất bức xạ nhận đượ c bằng cách tích phân cườ ng độ bức xạ, như đượ c cho bở i (2.8) trên toàn góc đặc 4π . Do đó:

(2.9)Ở đó, φ θ θ d d d sin=Ω là một vi phân góc đặc.

1.1.2.5. Hệ số định hướ ngHệ số định hướ ng của anten đượ c định ngh ĩ a như sau: “tỉ lệ của cườ ng độ bức xạ theomột hướ ng cho tr ướ c so vớ i cườ ng độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướ ng. Cườ ng

đồ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bở i anten chia cho π 4 . Nếu hướ ngkhông đượ c xác định, hướ ng của cườ ng độ bức xạ cực đại đượ c chọn”.

Đơ n giản hơ n, hệ số định hướ ng của một nguồn bức xạ hướ ng tính bằng vớ i tỉ lệ củacườ ng độ bức xạ theo một hướ ng cho tr ướ c (U) và cườ ng độ bức xạ của một nguồnđẳng hướ ng (U0):

rad P

U

U

U D

π 4

0

== (2.10)

Hướ ng bức xạ cực đại (hướ ng tính cực đại) đượ c biểu diễn như sau:

rad P U

U U

U U D D max

0

max

0

max0max 4π ==== (2.10a)

Ở đó, D là hướ ng tính (không có thứ nguyên).D0 là hướ ng tính cực đại (không có thứ nguyên).U là cườ ng độ bức xạ (W/đơ n vị góc đặc).Umax là cườ ng độ bức xạ cực đại (W/đơ n vị góc đặc).U0 là cườ ng độ bức xạ của nguồn đẳng hướ ng (W/đơ n vị góc đặc).Prad là tổng công suất bức xạ (W).

Vớ i nguồn đẳng hướ ng, hiển nhiên từ (2.10) hay (2.10a) ta nhận thấy r ằng hướ ng tính

bằng 1 khi U, Umax và U0 bằng nhau.

Vớ i anten có các thành phần phân cực tr ực giao, chúng ta định ngh ĩ a hệ số định hướ ngriêng (partial directivity), theo một phân cực cho tr ướ c và một hướ ng cho tr ướ c, là tỉ lệ của cườ ng độ bức xạ tươ ng ứng vớ i một phân cực cho tr ướ c chia cho tổng cườ ng độ

bức xạ trung bình trên tất cả các hướ ng. Vớ i định ngh ĩ a này, thì theo một hướ ng chotr ướ c “hệ số định hướ ng tổng là tổng của các hệ số định hướ ng riêng”. Trong hệ tọa độ cầu, hướ ng tính cực đại D0 vớ i các thành phần tọa độ θ và φ của anten có thể đượ cviết là:

φ θ D D D +=0 (2.11)





Trong đó hệ số định hướ ng riêng và đượ c biểu diễn bở i:φ D θ D

φ θ

θ θ

π

)()(

4

rad rad P P

U D

+= (2.11a)

φ θ

φ

φ

π

)()(

4

rad rad P P

U

D +=

(2.11b)Ở đó, là cườ ng độ bức xạ theo một hướ ng cho tr ướ c chỉ phụ thuộcθ U θ .

là cườ ng độ bức xạ theo một hướ ng cho tr ướ c chỉ phụ thuộcφ U φ .

là công suất bức xạ theo tất cả các hướ ng chỉ phụ thuộc vàoθ )( rad P θ .là công suất bức xạ theo tất cả các hướ ng chỉ phụ thuộc vàoφ )( rad P φ .

1.1.2.6. Hệ số tăng íchMột đơ n vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G). Hệ số tăng ích của

anten có quan hệ vớ i hệ số định hướ ng, và là đơ n vị dùng để tính toán hiệu suất củaanten cũng như khả năng hướ ng tính của nó. Trong khi hệ số định hướ ng chỉ thể hiệnđượ c đặc tính hướ ng tính của anten.Hệ số tăng ích đượ c xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của antenthực ở hướ ng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thườ ng là anten vôhướ ng) ở cùng hướ ng và khoảng cách như nhau, vớ i giả thiết công suất đặt vào haianten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao).

Cườ ng độ bức xạ của anten đẳng hướ ng bằng vớ i công suất đặt vào anten chia cho π 4 (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằng công suất

đặt vào anten). Do đó, ta có:

G = 4π Cườ ng độ bức xạ của anten thực tại hướ ng khảo sát

Cườ ng độ bức xạ của anten anten vô hướ ng

=>in P

U G

),(4

φ θ π = (Không thứ nguyên) (2.12)

Tổng công suất bức xạ (Prad) có quan hệ vớ i tổng công suất đặt vào anten (Pin) bở i:incd rad P e P = (2.13)

Ở đó, ecd là hiệu suất bức xạ của anten (không thứ nguyên). Sử dụng (2.13) biến đổi(2.12) thành:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

rad

cd P

U eG

),(4),(

φ θ π φ θ (2.14)

Sử dụng công thức (2.10), ta có:),(),( φ θ φ θ DeG cd = (2.15)

Giá tr ị cực đại của hệ số tăng ích có quan hệ vớ i hệ số định hướ ng cực đại bở i:





0maxmax0 ),(),( De DeGG cd cd === φ θ φ θ (2.16)

Cũng như đối vớ i hệ số định hướ ng, ta định ngh ĩ a hệ số tăng ích riêng (partial gain)của anten theo một phân cực cho tr ướ c và một hướ ng cho tr ướ c như sau: “phần cườ ng

độ bức xạ tươ ng ứng vớ i một phân cực cho tr ướ c chia cho tổng cườ ng độ bức xạ khianten bức xạ đẳng hướ ng”. Vớ i định ngh ĩ a này, thì theo một hướ ng cho tr ướ c “tổng hệ số tăng ích là tổng của các hệ số tăng ích riêng”. Trong hệ tọa độ cầu, hệ số tăng íchcực đại G0 theo các thành phần tr ực giao θ và φ của anten có thể đượ c viết như sau,theo dạng tươ ng tự như hệ số định hướ ng cực đại trong (2.11a) và (211b):

(2.17)φ θ GGG +=0

Trong khi các hệ số tăng ích riêng và đượ c biểu diễn bở i:θ Gφ G

in

in

P U G

P

U G

φ

φ

θ θ

π

π

4

4

=

=

(2.17a)

(2.17b)

Trong đó: là tổng công suất đưa vào anten.in P

θ U là cườ ng độ bức xạ theo một hướ ng cho tr ướ c chứa trong thành phần truờ ng .θ E

φ U là cườ ng độ bức xạ theo một hướ ng cho tr ướ c chứa trong thành phần tr ườ ng .φ E

Thườ ng thì hệ số tăng ích đượ c biểu diễn theo khái niệm dB thay vì không có thứ nguyên như trong công thức (2.16). Công thức tươ ng ứng đượ c cho bở i:

(2.18)][log10)( 0100 DedBG cd =

1.1.2.7. Băng thôngBăng thông (BW) của anten đượ c định ngh ĩ a như sau: “khoảng tần số mà trong đóhiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định”. Băng thông có thể đượ c xemxét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thườ ng là tần số cộng hưở ng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như tr ở kháng vào, giản đồ, độ r ộng chùm, phân cực,cấ p thùy bên, hệ số tăng ích, hướ ng chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá tr ị có thể chấ pnhận đượ c.

Vớ i các anten dải r ộng, băng thông thườ ng đượ c biểu diễn là tỉ số của tần số trên vàtần số dướ i khi anten hoạt động vớ i các đặc tính có thể chấ p nhận đượ c. Ví dụ, băngthông 10:1 chỉ ra r ằng, tần số trên lớ n hơ n 10 lần tần số dướ i.

min

max

f

f BW = (2.19)

Vớ i anten dải hẹ p, băng thông đượ c thể hiện bở i tỉ lệ phần tr ăm của sự sai khác tần số (tần số trên – tần số dướ i) so vớ i tần số trung tâm của băng thông. Ví dụ, băng thông5% thể hiện r ằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông.

0

minmax

f

f f BW

−= (2.20)





Bở i vì các đặc tính như tr ở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phân cực, … củaanten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định ngh ĩ a băng thông khácnhau. Tùy từng ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten đượ c chọn thế nàocho phù hợ p.

1.1.2.8. Phân cự cPhân cực của anten theo một hướ ng cho tr ướ c đượ c định ngh ĩ a như sau: “là phân cựccủa sóng đượ c truyền đi bở i anten. Chú ý: khi không đề cậ p tớ i hướ ng nào, phân cựcđượ c xem là phân cực theo hướ ng có hệ số tăng ích cực đại”.

Sự phân cực của sóng bức xạ đượ c thể hiện bở i đầu mút của vector điện tr ườ ng tứcthờ i, và hướ ng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướ ng truyền sóng. Một đườ ngvạch theo bở i đầu mút của vector điện tr ườ ng là hàm của thờ i gian đượ c thể hiện tronghình 1.10(a) và (b).

(a)

(b)

Hình 1.10. S ự quay của sóng đ iện t ừ phẳ ng phân cự c elip là hàm theo thờ i gian [3]

(a). S ự quay của vector đ iện tr ườ ng (b). Phân cự c elip ở z = 0





Phân cực phân thành 3 loại: thẳng, tròn và ellip. Nếu đầu mút vector điện tr ườ ng ở mộtđiểm trong không gian luôn hướ ng theo một đườ ng thẳng, tr ườ ng này đượ c gọi là phâncực tuyến tính. Tổng quát, đầu mút vector điện tr ườ ng vạch ra là một elip, và tr ườ ngđượ c gọi là phân cực ellip. Phân cực tuyến tính và tròn là truờ ng hợ p đặc biệt của phâncực elip. Đầu mút vector điện tr ườ ng quay theo chiều kim đồng hồ (clockwise, CW)gọi là phân cực phải và ngượ c kim đồng hồ (counterclockwise, CCW) gọi là phân cựctrái.

Tr ườ ng tức thờ i của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm tr ục z, có thể đượ c biểu diễn như sau:

(2.21)Các thành phần tức thờ i có quan hệ vớ i các thành phần phức của nó bở i:

(2.22)

(2.23)

Ở đó, Exo và Eyo tươ ng ứng là biên độ cực đại của các thành phần tr ườ ng theo tr ục x vày.

Phân cự c thẳ ng

Để sóng bức xạ phân cực thẳng, độ lệch pha theo thờ i gian giữa 2 thành phần phải là:(2.24)

Phân cự c trònPhân cực tròn có thể đạt đượ c chỉ khi biên độ của 2 thành phần là giống nhau, và sự khác pha theo thờ i gian giữa chúng phải bằng số lẻ lần . Tức là:

(2.25)

(2.26)(2.27)

Nếu hướ ng truyền sóng bị đảo ngượ c (ví dụ, theo hướ ng +z), các độ lệch pha trong(2.26) và (2.27) cho hướ ng CW và CCW phải trao đổi cho nhau.

Phân cự c ellipPhân cực ellip có thể đạt đượ c chỉ khi độ lệch pha theo thờ i gian giữa 2 thành phần làmột số lẻ lần và biên độ của chúng không bằng nhau hay độ lệch pha giữa 2 thành

phần không là bội của (không quan tâm đến biên độ của chúng). Đó là:(2.28)

(2.29)

Hay:





(2.30)

Vớ i phân cực ellip, đườ ng cong đượ c quét ở một vị trí cho tr ướ c như một hàm theothờ i gian, và nói chung nó là một ellip, như đượ c chỉ ra trong hình 1.10(b). Tỉ lệ bántr ục lớ n và bán tr ục nhỏ của ellip đượ c gọi là hệ số tr ục (axial ratio, AR), và bằng vớ i:

(2.31)

Ở đó:

(2.32)

(2.33)

Độ nghiêng của ellip, có quan hệ vớ i tr ục y, đượ c thể hiện bở i góc cho bở i:

(2.34)

Khi ellip thẳng vớ i các tr ục chính tr ục chính (phụ) bằng

vớ i Ex0 (Eyo) hay Eyo (Exo) và tỉ lệ tr ục (AR) bằng:

1.1.2.9. Trở kháng vào

Tr ở kháng vào đượ c định ngh ĩ a như sau: “tr ở kháng của anten tại điểm đầu vào của nóhay tỉ số điện áp so vớ i dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tươ ng ứngcủa điện tr ườ ng so vớ i từ tr ườ ng ở một điểm”. Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếu tớ i tr ở kháng vào tại đầu vào của anten. Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vàonày, không có tải, xác định tr ở kháng của anten như sau:

ZA = R A + jXA (2.35)Trong đó, ZA là tr ở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm).

R A là điện tr ở của anten ở các đầu vào (Ohm).XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm).

Nói chung, thành phần điện tr ở trong (2.35) bao gồm 2 thành phần là:R A = R r + R L (2.36)

Trong đó, R r là tr ở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten.R L tr ở kháng mất mát (loss resistance) của anten.

Tr ở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số. Do đó, anten chỉ đượ c phốihợ p tốt vớ i đườ ng tiế p điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó. Thêm nữa, tr ở khángvào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng của anten, phươ ng pháp tiế pđiện cho anten, và ảnh hưở ng của các đối tượ ng bao quanh nó. Do sự phức tạ p củachúng, chỉ một lượ ng giớ i hạn các anten thực tế đượ c nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ.Vớ i các loại anten khác, tr ở kháng vào đượ c xác định bằng thực nghiệm.





1.2. Đườ ng truyền vi dải và anten vi dải1.2.1. Đườ ng truyền vi dải1.2.1.1. Cấu trúc đườ ng truyền vi dảiĐườ ng truyền vi dải đượ c sử dụng nhiều nhất trong môi tr ườ ng truyền dẫn là các mạchtích hợ p siêu cao tần. Đườ ng truyền vi dải là cấu trúc mạch in “cấ p cao”, bao gồm mộtdải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia củatấm điện môi cũng đượ c phủ đồng gọi là mặt phẳng đất. Ta thấy mặt phẳng đất là mặt

phản xạ. Do đó, đườ ng truyền vi dải có thể đượ c xem như là đườ ng truyền gồm 2 dâydẫn.

Hình 1.11. C ấ u trúc của đườ ng truyề n vi d ải [9]

Có hai tham số chính là độ r ộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h. Mộttham số quan tr ọng khác là hằng số điện môi tươ ng đối của chất nền εr . Độ dày của dảidẫn điện là t và điện dẫn suất là σ là các tham số kém quan tr ọng hơ n và đôi khi có thể

bỏ qua.

1.2.1.2. Cấu trúc trườ ng của đườ ng truyền vi dải

Sóng truyền trên đườ ng truyền vi dải là sóng có dạng gần vớ i TEM (quasi-TEM). Điềunày có ngh ĩ a r ằng có một vài vùng trong đó chỉ có một thành phần điện tr ườ ng hoặc từ tr ườ ng theo hướ ng truyền sóng. Hình 1.12 thể hiện giản đồ tr ườ ng điện từ của mộtđườ ng truyền vi dải cơ bản.

Hình 1.12. Giản đồ tr ườ ng của một đườ ng vi d ải [9]





Trên cấu trúc đườ ng vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện, bở i vì mặt tiế p giáp giữachất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí. Các đườ ng sức điện tr ườ ngkhông liên tục tại mặt tiế p giáp này. Điều kiện biên cho điện tr ườ ng là thành phần tiế ptuyến của điện tr ườ ng phải liên tục khi truyền xuyên qua biên; do đó một chất nền cóhằng số điện môi là 10, thì điện tr ườ ng sẽ giảm đột ngột 10 lần so vớ i trong không khí.Mặt khác, thành phần tiế p tuyến (song song vớ i bề mặt dải dẫn điện) của điện tr ườ ngcũng phải liên tục khi xuyên qua biên. Do đó, một phần năng lượ ng điện tr ườ ng đượ clưu tr ữ trong không khí và một phần đượ c lưu tr ữ trong điện môi. Hằng số điện môihiệu dụng đối vớ i các sóng trên đườ ng truyền nằm giữa giá tr ị hằng số điện môi khôngkhí và hằng số điện môi của chất nền.

1.2.2. Anten vi dải1.2.2.1. Giớ i thiệu chungKhái niệm anten vi dải lần đầu tiên đượ c đưa ra bở i Deschamps vào năm 1953, Guttonvà Bassinot vào năm 1955. Tuy nhiên mãi tớ i tận năm 1972 ngườ i ta mớ i đi vào chế tạo các anten vi dải, bở i vì thờ i điểm này mớ i xuất hiện chất nền có các đặc tính tốt.

Như đượ c chỉ ra trong hình 1.13, anten vi dải vớ i cấu hình đơ n giản nhất bao gồm một patch phát xạ nằm trên một mặt của chất nền điện môi (εr <=10), mặt kia của chất nềnlà mặt phẳng đất. Patch là vật dẫn điện, thông thườ ng là đồng hay vàng, có thể có hìnhdạng bất k ỳ, nhưng các hình dạng thông thườ ng nói chung đượ c sử dụng nhiều.

Hằng số điện môi của chất nền đóng vai trò quan tr ọng nhất đối vớ i hoạt động củaanten. Nó ảnh hưở ng đến tr ở kháng đặc tính, tần số cộng hưở ng, băng thông và hiệusuất của anten.

Hình 1.13. C ấ u trúc của anten vi d ải đơ n giản nhấ t [7]

Ư u đ i ể m của anten vi d ải

Tr ọng lượ ng nhẹ, kích thướ c nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo. Giá thành sản xuất thấ p, phù hợ p cho nhiều ứng dụng. Dễ dàng đượ c gắn lên các đối tượ ng khác. Có thể tạo ra các phân cực tròn, tuyến tính chỉ đơ n giản bằng cách thay đổi

phươ ng pháp tiế p điện. Dễ dàng chế tạo các anten có thể hoạt động vớ i nhiều dải tần. Mạng phối hợ p tr ở kháng và đườ ng tiế p điện có thể đượ c in cùng vớ i cấu trúc

anten.





Nhượ c đ i ể m của anten vi d ải

Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tớ i 10%). Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian. Giớ i hạn độ tăng ích cực đại (~ 20 dB). Hiệu suất bức xạ kém. Xuất hiện các sóng mặt. Công suất cho phép thấ p.

1.2.2.2. Một số loại anten vi dải cơ bản

Anten patch vi d ải

Anten có patch vi dải (microstrip patch antenna, MPA) bao gồm một patch dẫn điện cóhình 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 đượ c sử dụng trongthực tế đượ c chỉ ra trong hình 1.14(a).

Hình 1.14 (a). Các hình d ạng anten patch vi d ải cơ bản thườ ng đượ c sử d ụng trong thự c t ế [7]

Hình 1.14 (b). Các hình d ạng kiể u khác cho các anten patch vi d ải [7]







Anten sóng chạ y vi d ải

Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna, MTA) gồm các dải dẫnđiện tuần hoàn hoặc một đườ ng vi dải dài đủ r ộng để hỗ tr ợ TE mode. Điểm cuối kiacủa anten sóng chạy đượ c mắc một tải có điện tr ở đượ c phối hợ p tr ở kháng để tránhcác sóng phản xạ trên anten.

Hình 1.17. Vài cấ u hình anten sóng chạ y vi d ải mạch in [7]

1.2.2.3. Anten patch hình chữ nhậtĐây là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện phẳng bên trênmột mặt phẳng đất. Có nhiều phươ ng pháp tiế p điện cho anten, nhưng thông thườ ngtiế p điện bằng cáp đồng tr ục hoặc đườ ng truyền vi dải. Phần tiế p điện đưa năng lượ ngđiện từ vào và/hoặc ra khỏi patch. Hình dướ i đây thể hiện phân bố điện tr ườ ng củaanten patch hình chữ nhật đượ c kích thích ở mode cơ bản.

Trên hình 1.18a, điện tr ườ ng bằng 0 ở tâm patch, đạt cực đại (dươ ng) ở một cạnh vàđạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện. Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảyra liên tục do pha tức thờ i của tín hiệu đặt vào anten. Điện tr ườ ng mở r ộng ra cả bênngoài mặt phân giớ i điện môi – không khí. Thành phần điện tr ưở ng mở r ộng này đượ cgọi là tr ườ ng viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ. Một số phươ ng pháp

phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưở ng rò (leaky-cavity).Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hốc cộng hưở ng là mode TM10.

Kí hiệu này thườ ng gây ra nhầm lẫn. TM tượ ng tr ưng cho phân bố từ tr ườ ng ngang.Điều này có ngh ĩ a r ằng chỉ có 3 thành phần, đó là: điện tr ườ ng theo hướ ng z, từ tr ườ ng

theo hướ ng x và y trong hệ tọa độ Đề các, trong đó tr ục x và y song song vớ i mặt phẳng đất, và tr ục z vuông góc vớ i mặt phẳng đất. Nói chung, các mode đượ c kí hiệulà TMnmz. Giá tr ị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện tr ườ ng theo tr ục z coinhư không đáng k ể. Do đó, kí hiệu TMnm chỉ ra sự biến đổi của tr ườ ng theo hướ ng xvà y. Sự biến đổi của tr ườ ng theo hướ ng y hầu như không đáng k ể, do đó m bằng 0.Tr ườ ng biến đổi chủ yếu theo hướ ng x, do đó ở mode cơ bản thì n = 1.

Hình 1.18b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ tr ườ ng) và điện áp (điện tr ườ ng) trên patch,dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải; trong khi điệntr ườ ng bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải. Từ

biên độ của dòng và áp, ta có thể tìm đượ c tr ở kháng (trong hình 1.18c). Tr ở kháng đạt





cực tiểu ở giữa patch và cực đại ở gần 2 cạnh. Có một điểm nằm ở đâu đó dọc theotr ục x, tại đó tr ở kháng là 50 , ta có thể đặt điểm tiế p điện tại đó.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.18. Anten patch hình chữ nhật (a). Phân bố tr ườ ng ở mode cơ bản(b). Phân bố dòng trên bề mặ t patch(c). Phân bố đ iện áp (U), dòng (I) và tr ở kháng (|Z|) theo chiề u dài patch





ANTEN M ẠCH D ẢI B ĂNG R ỘNG VÀ

ANTEN M ẠCH D ẢI NHI ỀU B ĂNG T ẦNCHƯƠ NG 2

Tóm t ắ t Thiế t k ế các anten bă ng r ộng và anten nhiề u bă ng t ần là xu hướ ng phát triể n mớ i củacác anten vi d ải. Điề u này nhằ m đ áp ứ ng nhu cầu mở r ộng bă ng thông cho các ứ ng

d ụng đ a phươ ng tiện trên thiế t bị di động. H ơ n nữ a, các thiế t bị di động ngày càng

đượ c tích hợ p nhiề u chứ c nă ng, và anten nhiề u bă ng t ần đ áp ứ ng yêu cầu này.Chươ ng này trình bày các phươ ng pháp (về nguyên lý) để thiế t k ế các anten mạch d ảibă ng r ộng và nhiề u bă ng t ần.

2.1. Giớ i thiệu chungMột trong các nhượ c điểm lớ n của anten vi dải là băng thông r ất hẹ p. Thông thườ ng

băng thông chỉ nhỏ hơ n 1%, và nhiều nhất là chỉ vài %. Tuy nhiên hiện nay, có r ấtnhiều ứng dụng đòi hỏi anten phải có kích thướ c nhỏ, băng thông r ộng, đồng thờ i lại

phải có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau. Chươ ng này sẽ giớ i thiệu mộtsố phươ ng pháp thiết k ế anten vi dải băng r ộng và anten vi dải hoạt động tại nhiều dảitần. Nhưng tr ướ c hết chúng ta sẽ làm rõ hơ n một số khái niệm như: dải thông tần(băng thông) và dải tần công tác.

2.1.1. Dải thông tần Ngoài các đặc tính bức xạ của anten về mặt năng lượ ng, khi khảo sát anten còn cần lưuý đến một đặc tính quan tr ọng nữa là dải thông tần (hay băng thông), ngh ĩ a là dải tầnsố mà trong giớ i hạn ấy anten có thể đảm bảo đượ c quá trình bức xạ hoặc thu phổ củatín hiệu mà không bị méo dạng tín hiệu.

Hình 2.1. Bă ng thông của anten





Thông thườ ng, tr ở kháng vào của mỗi anten là một hàm phụ thuộc vào tần số. Do đó,nếu anten làm việc vớ i tín hiệu có phổ r ộng (như tín hiệu xung số, tín hiệu videotruyền hình, …) thì ứng vớ i mỗi tần số khác nhau của phổ tín hiệu, biên độ tươ ng đốicủa dòng điện đặt vào anten (trong tr ườ ng hợ p anten phát) hoặc sức điện động thuđượ c (trong tr ườ ng hợ p anten thu) sẽ biến đổi, do đó làm thay đổi dạng phổ của tínhiệu. Khi dùng fide tiế p điện cho anten, sự biến đổi tr ở kháng vào của anten theo tầnsố sẽ dẫn đến tình tr ạng lệch phối hợ p tr ở kháng và làm xuất hiện sóng phản xạ trongfide. Khi đó ứng vớ i mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ có sự tr ễ pha khác nhau, và gâyra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, tốt nhất là phải đảm bảo đượ c trong suốt dải tần làmviệc: R v.A = const và Xv.A = 0.

Ngoài ra, vì đặc tính phươ ng hướ ng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi nó làmviệc vớ i tín hiệu có phổ r ộng thì biên độ tươ ng đối của cườ ng độ tr ườ ng bức xạ (hoặcthu đượ c) đối vớ i các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây ra méo dạng tínhiệu. Thườ ng thì ảnh hưở ng của yếu tố này không lớ n lắm, và trong thực tế, độ r ộngdải tần (băng thông) của anten đượ c quyết định chủ yếu bở i đặc tính phụ thuộc của tr ở kháng vào của anten theo tần số.

2.1.2. Dải tần công tácTrong nhiều ứng dụng, chúng ta yêu cầu anten phải có khả năng làm việc ở một số tầnsố khác nhau. Ứ ng vớ i mỗi tần số khác nhau ấy, anten phải đảm bảo những chỉ tiêu k ỹ thuật nhất định về đặc tính phươ ng hướ ng, tr ở kháng vào, dải thông tần, …. Dải tần số mà trong giớ i hạn ấy, anten làm việc thoả mãn các chỉ tiêu k ỹ thuật yêu cầu gọi là dảitần công tác của anten. Chỉ tiêu k ỹ thuật này có thể khác nhau đối vớ i từng loại antencụ thể.

Căn cứ theo dải tần công tác, có thể phân loại anten thành 4 nhóm:

Anten dải tần hẹ p: %100

<∆

f

f

Anten dải tần tươ ng đối r ộng: %50%100

<∆

< f

f

Anten dải tần r ộng:1

4

1

5.1

min

max << f

f

Anten dải tần siêu r ộng: 1

4

min

max

> f

f

Tỉ số của tần số cực đại và tần số cực tiểu của dải tần công tác f max/f min gọi là hệ số baotrùm dải sóng.

2.2. Mở rộng băng thông của anten vi dải2.2.1. Giớ i thiệuAnten vi dải có nhiều đặc tính r ất hữu ích, nhưng một trong các hạn chế đáng k ể củacác anten loại này là đặc tính băng hẹ p của chúng. Băng thông tính theo tr ở kháng(impedance bandwidth) của anten vi dải điển hình thườ ng trong khoảng nhỏ hơ n 1%

tớ i vài % đối vớ i các chất nền mỏng thỏa mãn tiêu chuẩn h/λ 0 < 0.023 và có 10≈r ε ,





cho tớ i h/λ 0 < 0.07 và có 3.2≈r ε . Điều này hoàn toàn trái ngượ c vớ i băng thông từ 15% tớ i 50% của các anten như là dipole, khe và loa. Các nhà nghiên cứu đã đi vàonghiên cứu các anten mạch dải này để cải thiện giớ i hạn băng hẹ p trong gần 20 năm,và đã thành công trong việc cải thiện băng thông tính theo tr ở kháng tớ i 90% và băngthông tính theo hệ số tăng ích (gain bandwidth) tớ i 70%. Hầu hết những sự đổi mớ inày đều sử dụng nhiều hơ n 1 mode, điều đó làm tăng kích thướ c, chiều cao hoặc thể tích, và đồng thờ i làm giảm sút một số đặc tính khác của anten. Mong muốn làm tăng

băng thông cũng có thể đạt đượ c bằng việc chọn k ỹ thuật tiế p điện và mạng phối hợ ptr ở kháng thích hợ p.

Chúng ta bắt đầu bằng việc định ngh ĩ a băng thông (bandwidth). Một số đặc tính củaanten chẳng hạn như VSWR (hoặc S11), độ r ộng chùm (beamwidth), bậc thùy bên(sidelobe level), hệ số tăng ích (gain), phân cực (polarization), …. Các đặc tính nàyđều biến đổi theo tần số. Do đó, có thể có nhiều định ngh ĩ a khác nhau về băng thông

tươ ng ứng vớ i các đặc tính trên.Tr ở kháng vào của anten vi dải biến đổi nhanh hơ n theo tần số, do đó việc giớ i hạn dảitần giúp cho thành phần bức xạ có thể đượ c phối hợ p tr ở kháng vớ i đườ ng tiế p điện.Chúng ta sẽ sử dụng băng thông tính theo tr ở kháng trong phần còn lại của chươ ng để định ngh ĩ a băng thông của anten. Băng thông tính theo tr ở kháng của một anten vi dảicộng hưở ng có thể đượ c xác định từ đáp ứng tần số của mạch tươ ng đươ ng của nó. Đốivớ i mạch tươ ng đươ ng cộng hưở ng song song, băng thông nửa công suất (BW) đượ ccho bở i:

0

0

2

ω ω ω

d dB

G BW =

(2.1)

Trong đó, Y = G + jB là dẫn nạ p đầu vào tại tần số cộng hưở ng 0 . Đối vớ i mạchtươ ng đươ ng cộng hưở ng nối tiế p G đượ c thay thế bở i R và B đượ c thay thế bở i Xtrong (2.1), trong đó Z = R + jX là tr ở kháng vào tại tần số cộng hưở ng. Một vài nhànghiên cứu định ngh ĩ a băng thông tr ở kháng (impedance bandwidth) theo khái niệm

băng thông vớ i VSWR = 2. Băng thông nửa công suất của (2.1) tươ ng đươ ng vớ i băngthông vớ i VSWR ≈2.4 khi anten đượ c tiế p điện bở i đườ ng truyền mạch dải. Sự chuyểnđổi băng thông từ một giá tr ị VSWR này sang một giá tr ị VSWR khác có thể đượ c

thực hiện thông qua quan hệ sau:

VSWRQ

VSWR BW

1−=

(2.2)

Trong đó Q là hệ số phẩm chất của anten. Công thức (2.2) chỉ ra r ằng, băng thông vớ iVSWR 2 bằng khoảng 78% băng thông nửa công suất. Các yêu cầu đối vớ i băngthông tr ở kháng không nhất thiết phải phù hợ p vớ i các tiêu chuẩn băng thông tính theocác đặc tr ưng khác của anten. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra r ằng phân cực xiên(cross-polarization) là thành phần chính hạn chế băng thông của các anten vi dải băngr ộng.





2.2.2. Ảnh hưở ng của các tham số chất nền tớ i băng thôngBăng thông tr ở kháng của anten vi dải tỉ lệ nghịch vớ i hệ số phẩm chất Q của anten(xem (2.2)). Do đó, ta có thể thay đổi các tham số của chất nền chẳng hạn như hằng số điện môi r ε và độ dày h để đạt đượ c hệ số Q mong muốn nhằm tăng băng thông tr ở kháng. Hệ số Q của anten cộng hưở ng đượ c định ngh ĩ a như sau:

N ă ng l ượ ng đượ c tích tr ữ (Energy stored)(2.3)Q =

N ă ng l ượ ng mấ t mát (Power lost)

Hình 2.2 biểu diễn ảnh hưở ng của độ dày chất nền tớ i băng thông tr ở kháng và hiệusuất vớ i 2 giá tr ị hằng số điện môi là 2.2 và 10. Ta thấy r ằng băng thông tăng đơ n điệutheo độ dày. Khi hằng số điện môi r ε giảm thì băng thông tăng. Điều này có thể đượ cgiải thích từ việc thay đổi giá tr ị Q.

Hình 2.2. Ả nh hưở ng của hằ ng số đ iện môi và độ dày chấ t nề n t ớ i bă ng thông tr ở kháng (VSWR < 2) và hiệu suấ t bứ c xạ [7]

Hình 2.3. S ự biế n đổ i của hệ số Q của anten vi d ải có patch hình chữ nhật theo hằ ng

số đ iện môi chấ t nề n. Trong đ ó h=1.59 mm, W=0.9L, f=3 GHz [7]

Hệ số Q của anten vi dải vớ i patch hình chữ nhật là hàm của εr và h đượ c vẽ trong hình2.3 và 2.4. Hình 2.3 chỉ ra r ằng, hệ số Q hầu như tăng tuyến tính khi tăng εr . Thành

phần bức xạ (patch) hình chữ nhật đượ c mô hình hoá như một tụ có mất mát (lossycapacitor), việc tăng hệ số Q là do năng lượ ng đượ c tích tr ữ (energy strored) tăng vànăng lượ ng bức xạ giảm khi tăng εr (theo công thức 2.3). Tươ ng tự, khi độ dày chất





nền tăng lên, năng lượ ng đượ c tích tr ữ giảm làm giảm hệ số Q như thấy trong hình 2.4.Về mặt vật lý, điều này xảy ra là do “tr ườ ng viền” (fringing field) tăng khi tăng h vàgiảm εr .

K ết luận, tăng h và giảm εr sẽ làm tăng băng thông tr ở kháng của anten. Tuy nhiên, phươ ng pháp này chỉ có thể áp dụng khi h < 0.02λ . Có nhiều nhượ c điểm do sử dụngcác chất nền có hằng số điện môi cao và độ dày lớ n, bao gồm: Năng lượ ng sóng mặt tăng lên, dẫn tớ i k ết quả là hiệu suất bức xạ kém (xem

hình 2.2). Bức xạ từ các sóng mặt có thể làm méo giản đồ bức xạ gần đầu cuốiđườ ng tiế p điện vi dải .

Các chất nền có độ dày lớ n, khi tiế p điện tại cạnh của thành phần bức xạ sẽ làmtăng bức xạ “giả” (spurious radiation) từ đườ ng vi dải tại những chỗ thay đổi về độ r ộng (step-in-width) và những chỗ bất liên tục trên đườ ng vi dải. Sự bức xạ từ đầu tiế p điện (probe feed) cũng sẽ tăng.

Các chất nền dày hơ n 0.11λ 0 và có εr =2.2 có tr ở kháng tại điểm tiế p điện choanten tăng, dẫn tớ i các vấn đề về phối hợ p tr ở kháng.

Các mode bậc cao hơ n chạy dọc theo chiều dày chất nền có thể tăng, điều nàylàm méo các giản đồ bức xạ và thay đổi tr ở kháng đặc tính. Đây là một tham số hạn chế việc đạt đượ c băng thông lớ n hơ n.

Hình 2.4. S ự biế n đổ i của hệ số Q của anten vi d ải có patch hình chữ nhật theo độ dàychấ t nề n. Trong đ ó εr =2.2, W=0.9L, f=3 GHz [7]

2.2.3. Lự a chọn hình dạng thành phần bứ c xạ thích hợ p Ngườ i ta nhận thấy r ằng: một vài hình dạng thành phần bức xạ (patch) có hệ số Q thấ phơ n so vớ i những hình dạng khác. Do đó băng thông của chúng sẽ cao hơ n. Các hìnhdạng thành phần bức xạ này bao gồm: vành khuyên (annular ring), vành hình chữ nhật/hình vuông (rectangular/square ring), patch phần tư bướ c sóng (đượ c ngắn mạch)và một số hình dạng khác. Anten có patch vành khuyên tròn vớ i b = 2a khi hoạt độngở mode TM12 cho băng thông gấ p 5 lần anten patch hình chữ nhật vớ i L = 1.5W.Tươ ng tự, anten có patch vành hình chữ nhật/hình vuông vớ i chu vi trung bình 1 λ g cóthể đượ c sử dụng.





Băng thông của anten có patch phần tư sóng ngắn mạch hay vành khuyên đượ c so sánhvớ i anten có patch hình tròn hay hình chữ nhật trong bảng 2.1. Chúng ta có thể nhậnthấy từ bảng này r ằng: băng thông của anten patch hình chữ nhật tăng khi độ r ộng của

patch tăng.

Bảng 2.1. So sánh bă ng thông t ại VSWR = 2

Hình dạng patch Kích thướ c patch Băng thông (%)Hình chữ nhật hẹ p L=4.924 cm, W=2.0 cm 0.7Hình chữ nhật r ộng L=4.79 cm, W=7.2 cm 1.6Hình vuông L=W=4.82 cm 1.3Hình tròn Bán kính a=2.78 cm 1.3Hình vành khuyên b=8.9 cm, a=4.45 cm 3.8Hình chữ nhật ¼ bướ c sóng L=2.462 cm, W=2.0 cm 1.05

εr = 2.32, h = 1.59 mm, f = 2 GHz

2.2.4. Lự a chọn k ỹ thuật tiếp điện thích hợ pCó nhiều k ỹ thuật tiế p điện khác nhau như: tiế p điện bằng “đầu dò” (probe feeding),tiế p điện ở cạnh patch (edge feeding), ghép gần patch vớ i một đườ ng truyền vi dải(proximity coupling to a microstrip line), ghép khe patch vớ i một đườ ng tiế p điện vidải (aperture coupling to a microstrip feed line). Trong đó phươ ng pháp ghép khe(aperture coupling) đượ c sử dụng cho các anten băng r ộng trên các chất nền dày. Điềunày là do thực tế r ằng: k ỹ thuật tiế p điện này cho phép một lượ ng lớ n tham số có thể điều chỉnh như độ dài khe, độ r ộng khe và hình dạng khe, …. Phươ ng pháp ghép khekhi đượ c điều chỉnh một cách k ỹ lưỡ ng có thể làm tăng băng thông một cách đáng k ể.

Băng thông khoảng 70% có thể đạt đượ c khi sử dụng k ỹ thuật tiế p điện này.

Anten vi d ải ghép khe

Anten vi dải ghép khe đượ c thể hiện trong hình 2.5. Nó bao gồm một patch hình chữ nhật có kích thướ c a x b đượ c in trên chất nền có độ dày h và hằng số điện môi εra.Patch vi dải đượ c tiế p điện bở i đườ ng vi dải thông qua một khe hở hoặc một rãnh r ạchtrên mặt phẳng đất chung của patch và đườ ng tiế p điện vi dải như trong hình 2.5.

Khe có các kích thướ c là La x Wa và tâm khe tại điểm (x0, y0). Độ r ộng của đườ ng vidải là W và đượ c in trên một chất nền có độ dày t và hằng số điện môi εrf . Tr ở kháng

đặc tr ưng của đườ ng vi dải đượ c kí hiệu là Z0m và tr ở kháng đặc tr ưng của khe đượ c kíhiệu bở i Z0s. Việc ghép khe vớ i giữa patch và đườ ng vi dải xảy ra bở i vì khe “phá vỡ sự liên tục” của dòng điện chạy theo dọc theo patch. Phân tích anten vi dải ghép khecho thấy: hầu hết các đặc tính đều tươ ng tự vớ i anten khe tiế p điện bằng đườ ng vi dải.

K ỹ thuật tiế p điện ghép khe đượ c giớ i thiệu bở i Pozar và nó có nhiều ưu điểm so vớ icác k ỹ thuật tiế p điện khác. Các ưu điểm đó là: bảo vệ đượ c anten khỏi sự bức xạ “giả”từ phần tiế p điện (spurious feed radiation), sử dụng chất nền cho cả cấu trúc tiế p điệnvà anten, sử dụng chất nền dày để tăng băng thông của anten.





Hình 2.5. Anten vi d ải tiế p đ iện bằ ng ghép khe [7]

2.2.5. K ỹ thuật kích thích đa modeSử dụng nhiều mode cộng hưở ng là phươ ng pháp r ất hiệu quả trong thiết k ế các anenvi dải băng r ộng. Ý tưở ng cơ bản của phươ ng pháp này xuất phát từ các bộ cộnghưở ng (resonator) đượ c ghép, trong đó thì 2 bộ cộng hưở ng hoặc nhiều hơ n đượ c ghépvớ i nhau để bao phủ toàn dải tần mong muốn. Phươ ng pháp này đượ c áp dụng chonhiều hình dạng patch khác nhau. Có nhiều phươ ng pháp để thiết k ế theo khái niệmnày vớ i mục tiêu tăng băng thông tr ở kháng (impedance bandwidth). Ta khảo sát một

phươ ng pháp, trong đó dùng 2 thành phần cộng hưở ng hoặc nhiều hơ n (tần số cộng

hưở ng của mỗi thành phần khác nhau đôi chút), mỗi thành phần cộng hưở ng này đượ cghép “sát” vớ i thành phần cộng hưở ng khác. Việc ghép “sát” đượ c điều khiển để tăng băng thông. Các phươ ng pháp thông thườ ng nhất để mở r ộng băng thông sử dụng phươ ng pháp ghép kí sinh (parasitic coupling) đượ c mô tả ngay sau đây.

2.2.5.1. Mở rộng băng thông sử dụng nhiều thành phần bứ c xạ xếp chồngAnten vi dải vớ i 2 patch đượ c xế p chồng điển hình đượ c thể hiện trong hình 2.6. Ảnhhưở ng của việc xế p chồng các patch đượ c nghiên cứu đầu tiên vào năm 1978 ngay khicác nghiên cứu về anten vi dải bắt đầu. Patch bên dướ i có thể đượ c tiế p điện bằng mộtconnector đồng tr ục hoặc bở i một đườ ng vi dải. Patch bên trên đượ c ghép “sát” vớ i

patch bên dướ i. Kích thướ c của patch phía trên hơ i khác kích thướ c của patch bên dướ iđể thu đượ c tần số cộng hưở ng hơ i khác một chút.

Ta có thể thay đổi một số tham số, ví dụ: độ dày d1 và d2 của các chất nền; hằng số điện môi εr1 và εr2; độ lệch giữa tâm của các patch; kích thướ c của các patch và vị trítiế p điện. Đối vớ i các anten có 2 dải tần, kích thướ c của 2 patch đượ c quyết định bở i 2tần số cộng hưở ng mong muốn. Đối vớ i anten băng r ộng, các tham số khác đượ c tốiưu hóa để đạt đượ c băng thông lớ n nhất có thể. Một sự dịch chuyển nhỏ các patch theocác hướ ng x và y cũng có ảnh hưở ng đáng k ể đến băng thông tr ở kháng và giản đồ bứcxạ.







Hình 2.7. M ột vài anten vi d ải bă ng r ộng sử d ụng các patch ghép khe đồng phẳ ng [7](a). M ột patch đ iề u khiể n đượ c ghép khe vớ i 2 dipole d ọc theo các cạnh bứ c xạ (b). M ột patch đ iề u khiể n đượ c ghép khe vớ i 2 patch d ọc theo các cạnh bứ c xạ

(c). M ột patch đ iề u khiể n đượ c ghép khe vớ i 2 patch d ọc theo các cạnh không bứ c xạ (d). 1 patch đ iề u khiể n ghép khe vớ i 2 patch ¼ bướ c sóng d ọc theo các cạnh bứ c xạ

(e). M ột patch ¼ bướ c sóng ( đ iề u khiể n) đượ c ghép khe vớ i một patch ¼ bướ c sóng (f). M ột patch đ iề u khiể n đượ c ghép khe vớ i 4 patch d ọc theo 4 cạnh của nó(g). Anten mảng vi d ải vớ i một patch đ iề u khiể n và các patch kí sinh ghép khe(h). M ảng 7 dipole ghép khe

(i). Anten nhiề u patch ghép khe cộng hưở ng t ại nhiề u t ần số (j) M ột hình d ạng khác của anten nhiề u patch ghép khe cộng hưở ng t ại nhiề u t ần số







Hình 2.8. Anten vi d ải bă ng r ộng sử d ụng các patch ghép khe đồng phẳ ng [7](a). C ấ u hình của một mảng vi d ải loga chu k ỳ ghép khe bă ng r ộng (b). Patch đ iề u khiể n đượ c ghép tr ự c tiế p vớ i 2 patch d ọc theo các cạnh bứ c xạ (c). Patch đ iề u khiể n đượ c ghép tr ự c tiế p vớ i 2 patch d ọc theo các cạnh không bứ c xạ

(d). Patch đ iề u khiể n đượ c ghép tr ự c tiế p vớ i 4 patch d ọc theo 4 cạnh của nó

(e). Anten vớ i đĩ a vi d ải đượ c ghép khe vớ i một vành khuyên ng ắ n mạch





2.2.5.3. Các k ỹ thuật kích thích đa mode khácCác phươ ng pháp trong phần này đều sử dụng 2 mode độc lậ p đượ c kích thích vàocùng một patch hoặc vào patch và mạng tiế p điện. Một patch gần vuông đượ c sử dụngđể thu đượ c băng thông gần 3 lần bằng cách kích thích 2 mode vớ i phân cực tr ực giao.Trong tr ườ ng hợ p này, để kích thích cả hai mode, đườ ng tiế p điện đượ c đặt dọc theođườ ng chéo (xem hình 2.9(a)). Đồ thị tr ở kháng vào cho anten này đượ c vẽ trong hình2.9(b) vớ i L = 13.6 cm, W/L = 0.99, ρ0/L = 0.16 và h/λ 0 = 0.0037.

Hình 2.9. Anten vi d ải bă ng r ộng sử d ụng 2 mode phân cự c tr ự c giao [7](a). Patch g ần vuông (b). Đồ thị tr ở kháng vào

Patch hình chữ nhật vớ i một khe U đượ c cắt trên nó (xem hình 2.10) cũng là anten băng r ộng. Patch và khe U đượ c thiết k ế để cho tần số cộng hưở ng gần nhau. Tần số cộng hưở ng và hệ số Q tại điểm cộng hưở ng có thể đượ c điều khiển độc lậ p bằng cách

điều chỉnh chiều dài và r ộng của chúng (patch và khe U).

Hình 2.10. Patch đượ c r ạch khe U t ạo ra 2 t ần số cộng hưở ng và t ă ng bă ng thông [7]

Patch hình chữ nhật vớ i một khe H đượ c cắt trên nó ở hình 2.11.

2.2.6. Các k ỹ thuật mở rộng băng thông khácTrong các phần tr ướ c, chúng ta đã thay đổi các tham số của chất nền để làm tăng băngthông tr ở kháng. Các patch cộng hưở ng đượ c đặt so le trong cấu hình patch xế p chồngvà cấu hình ghép khe đã đượ c mô tả trong phần tr ướ c. Việc sử dụng nhiều hơ n mộtmode kích thích vào cùng một patch cũng đượ c mô tả. Trong phần này, chúng ta thảoluận thêm một vài phươ ng pháp để tăng băng thông tr ở kháng.





Hình 2.11. M ột anten dipole cuộn tròn kép vớ i bă ng thông r ộng [7]

2.2.6.1. Phối hợ p trở khángMột trong các k ỹ thuật tr ực tiế p và thông thườ ng nhất đượ c sử dụng để cải thiện băngthông tr ở kháng là sử dụng một mạng phối hợ p tr ở kháng. Ta có thể dùng các nhánh vàcác đoạn vi dải ¼ bướ c sóng có thể đượ c sử dụng cho mục đích này. Mạng phối hợ p

tr ở kháng nên đượ c đặt gần thành phần bức xạ nhất có thể. Tuy nhiên, các chỗ khôngliên tục trong mạng phối hợ p tr ở kháng cũng có thể bức xạ, điều đó làm giảm sút đặctính phân cực ngang (cross-polarization) của anten. Sự phức tạ p và các mất mát củamạng phối hợ p tr ở kháng nói chung hạn chế băng thông có thể đạt đượ c chỉ khoảng từ 10% tớ i 30%. Pues và Van de Capelle đã đạt đượ c băng thông khoảng 10% tớ i 12% sử dụng một mạng phối hợ p tr ở kháng đồng phẳng thụ động. Các k ỹ thuật tươ ng tự đượ csử dụng bở i Paschen đưa ra băng thông lớ n hơ n 25%, băng thông đó đủ để bao phủ cả dải GPS chỉ vớ i một thành phần bức xạ đơ n.

Một phươ ng pháp khéo léo khác đó là một thành phần chuyển tiế p hình nón 3D (3D

transition) đượ c sử dụng để tăng băng thông tr ở kháng tớ i khoảng 90%. Hình dạng củaanten này đượ c thể hiện trong hình 2.12.

Anten và thành phần chuyển tiế p không đượ c in trên bất k ỳ một vật liệu điện môi nào.Patch đượ c chống ở tâm bở i một tr ụ (kim loại hoặc không phải kim loại). Thành phầnchuyển tiế p có thể là dải kim loại độ r ộng không thay đổi dựng nghiêng xuống tớ i mặt

phẳng đất như thể hiện trong hình 2.12(a), hoặc có thể là một dải có độ r ộng thon dầnvuông góc vớ i mặt phẳng đất như trong hình 2.12(b). Cả hai phươ ng pháp này cho k ếtquả băng r ộng. Ư u điểm của anten này là có một băng thông VSWR r ất lớ n, khoảng90%, tránh đượ c các ảnh hưở ng của sóng mặt và ảnh hưở ng của độ phân bố

(dispersion ) của chất nền, hiệu suất cao hơ n.





Hình 2.12. Anten vớ i patch đơ n bă ng r ộng sử d ụng thành phần chuyể n tiế p 3D [7](a). Patch “l ơ l ử ng” vớ i một thành phần chuyể n tiế p 3D nghiêng

(b). Patch “l ơ l ử ng” vớ i một thành phần chuyể n tiế p 3D d ự ng đứ ng

2.2.6.2. Mắc tải điện trở

Theo Pozar, băng thông tr ở kháng của anten vi dải có thể tăng lên bằng cách hạn chế các tham số mất mát, nhưng bù lại hiệu suất bức xạ giảm. Mất mát gây ra do vật liệuđiện môi, lớ p đồng dẫn điện, do chính tải điện tr ở mắc vào. Hình 2.13 thể hiện mộtanten vi dải đượ c gắn thêm điện tr ở 1Ω gần cạnh của patch.

Hình 2.13. Anten vi d ải bă ng r ộng đượ c mắ c thêm t ải đ iện tr ở l = 0.79L [7]

Tại Return Loss = 10 dB, băng thông của anten này bằng 4.9 lần băng thông khi khôngmắc thêm tải điện tr ở . Thêm nữa, kích thướ c patch giảm đi 0.39 lần so vớ i khi khôngmắc thêm tải điện tr ở . Tuy nhiên, hệ số tăng ích lại giảm.

2.3. Anten vi dải nhiều băng tần

2.3.1. Anten vi dải 2 tần số cộng hưở ngAnten vi dải cộng hưở ng kép có thể hoạt động tại 2 tần số cộng hưở ng trên các cấutrúc đơ n hoặc đa bức xạ. Về lý thuyết, các anten vi dải cộng hưở ng kép phải có cùngcác đặc tính bức xạ và phối hợ p tr ở kháng tại cả hai tần số cộng hưở ng. Để thực hiệnđiều này bằng cách sử dụng công nghệ phẳng là một vấn đề phức tạ p.

Có một số phươ ng pháp để thiết lậ p anten cộng hưở ng kép và đượ c phân thành 3 loạichính: Kích thích anten bằng 2 mode. Sử dụng nhiều patch bức xạ cho anten.

Mắc tải hỗn hợ p.





K ỹ thuật kích thích bằng 2 mode đượ c thực hiện bằng cách kích thích 2 mode cộnghưở ng khác nhau lên một patch vi dải đơ n. Đối vớ i cấu trúc sử dụng nhiều patch bứcxạ, cộng hưở ng kép đạt đượ c bằng cách sử dụng nhiều patch bức xạ, mỗi patch cộnghưở ng tại một tần số nhất định. Cấu trúc này có thể đượ c thực hiện bằng cách sử dụngnhiều patch đồng phẳng hoặc xế p chồng nhiều patch, trong đó các patch bức xạ cóhình dạng giống nhau hoặc khác nhau. Các anten này hoạt động hoạt động tại 2 tần số vớ i cùng phân cực hoặc 2 phân cực khác nhau. Khi anten vi dải đượ c yêu cầu là phảihoạt động tại 2 tần số khác biệt, k ỹ thuật đượ c sử dụng phổ biến nhất là mắc tải hỗnhợ p hoặc mắc tải điện kháng cho 1 patch đơ n. Một số kiểu mắc tải thườ ng sử dụngnhư: nhánh, khe hình V, ngắn mạch, sử dụng tụ điện và khe.

Anten vi dải 2 tần số có thể hình thành bằng cách xế p chồng 2 phần tử mạch dải, mỗi phần tử có tần số cộng hưở ng riêng, và đượ c tiế p điện nối tiế p như trên hình 2.14. Đặctính quan tr ọng nhất cần lưu ý ở đây là khi một trong 2 phần tử mạch dải không cộnghưở ng vớ i tần số làm việc của phần tử kia thì nó giống như một phiến kim loại bị đoảnmạch. Điều này cho phép mỗi phần tử mạch dải hoạt động độc lậ p tại tần số khongcộng hưở ng của phần tử mạch dải kia. Điều này có thể đạt đượ c khi khoảng cách tầnsố nhỏ hơ n 10%, hoặc khi các tần số đó là hài nhau.

Hình 2.14. Hình d ạng anten mạch d ải 2 bă ng t ần [1]

(a). Tiế p đ iện nố i tiế p cho t ừ ng phần t ử (b). C ấ u trúc t ươ ng đươ ng t ại t ần số f 1(c). C ấ u trúc t ươ ng đươ ng t ại t ần số f 2

2.3.2. Anten vi dải nhiều hơ n 2 tần số cộng hưở ngSử dụng k ỹ thuật kích thích đa mode ở trên ta cũng có thể thiết k ế các anten vi dảinhiều tần số cộng hưở ng. Bằng cách chọn các tần số cộng hưở ng nằm trong dải tầnmong muốn.

Ta có thể xế p chồng nhiều phần tử và tiế p điện nối tiế p để tạo thành một hệ anten

mạch dải nhiều tần số. Điều quan tr ọng là phải tìm điểm phù hợ p của mỗi phần tử để





có thể đặt nguồn nuôi vào đó vớ i tr ở kháng đầu vào là 50 Ω. Kích thướ c chính xác của phần tử tiế p điện nối tiế p và các điểm phù hợ p để đặt nguồn nuôi tốt nhất là đượ c xácđịnh bằng thực nghiệm.

2.4. Phối hợ p trở kháng dải rộng Như trên đã trình bày, có nhiều phươ ng pháp để thiết k ế anten mạch dải băng r ộng, phần này xin trình bày chi tiết phươ ng pháp phối hợ p tr ở kháng dải r ộng.

2.4.1. Ý ngh ĩ a của việc phối hợ p trở kháng Nội dung của phối hợ p tr ở kháng đượ c minh hoạ ở hình 2.15 trong đó sử dụng mộtmạch phối hợ p đặt giữa tải và đườ ng truyền dẫn sóng. Mạch phối hợ p thườ ng là mộtmạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và đượ c thiết k ế sao cho tr ở khángvào nhìn từ đườ ng truyền có giá tr ị bằng tr ở kháng sóng Zo của đườ ng truyền. Khi ấysự phản xạ sóng ở phía trái của mạch phối hợ p về phía đườ ng truyền dẫn sẽ không cònnữa, chỉ còn trong phạm vi giớ i hạn giữa tải và mạch phối hợ p, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều lần. Quá trình phối hợ p cũng đượ c coi là quá trình điều chỉnh.

Hình 2.15. M ạch phố i hợ p tr ở kháng không t ổ n hao giữ a tr ở kháng t ải bấ t kìvà đườ ng truyề n d ẫ n sóng có tr ở kháng đặ c tr ư ng Z 0 [2]

Khi thực hiện phối hợ p tr ở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt đượ c cực đại, còn tổnthất trên đườ ng truyền là cực tiểu. Phối hợ p tr ở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tínhiệu/tạ p nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạ p âm thấ p, ….

Khi tải và đườ ng truyền đượ c phối hợ p sẽ không có sóng phản xạ trên đườ ng truyền,do đó công suất truyền vào tải đạt cực đại, bằng vớ i công suất đưa vào. Khi không đảm

bảo việc phối hợ p tr ở kháng sẽ xuất hiện sóng đứng trên đườ ng truyền. Nếu giá tr ị Vmax tại điểm bụng điện áp trên đườ ng truyền đạt tớ i hoặc vượ t quá giớ i hạn cho phépVx sẽ xảy ra đánh lửa, điều này có thể dẫn tớ i việc phá huỷ đườ ng truyền.

2.4.2. Phối hợ p trở kháng dải rộngKhi khảo sát bộ phối hợ p tr ở kháng dùng đoạn biến đổi λ/4, ta thấy nếu các tr ở khángcần phối hợ p có độ chênh lệch càng cao thì dải tần của thiết bị phối hợ p càng hẹ p. Vìvậy muốn mở r ộng dải tần phải dùng nhiều đoạn biến đổi mắc nối tiế p nhau thànhchuỗi để mỗi đoạn chỉ phối hợ p vớ i một tỷ số tr ở kháng thấ p mà thôi. Đó chính là ýtưở ng của bộ biến đổi tr ở kháng nhiều cấ p hay nhiều phân đoạn.

Bộ biến đổi gồm N đoạn dây truyền sóng (hình 2.16) có độ dài giống nhau nhưng khácnhau về tr ở kháng đặc tính. Hãy rút ra công thức gần đúng để tính hệ số phản xạ tổng

Γ.





Hình 2.16. Bộ biế n đổ i nhiề u phân đ oạn [2]

Tại mỗi chỗ nối, ta xác định đượ c các hệ số phản xạ riêng như sau:

01

010

Z Z

Z Z

+

−=Γ (2.4a)

…………

nn

nnn

Z Z

Z Z

+

−=Γ

+

+

1

1 (2.4b)

…………

N L

N L N

Z Z

Z Z

+

−=Γ (2.4c)

Ta cũng giả thiết là các Zn sẽ tăng hoặc giảm đơ n điệu dọc theo chiều dài của bộ phốihợ p tr ở kháng, đồng thờ i coi ZL là thực. Điều đó có ngh ĩ a các là thực và có cùng

dấu. Ta thấy: ΓnΓ

n > 0 khi ZL > Z0 và Γn < 0 khi ZL < Z0. Hệ số phản xạ tổng:( ) θ θ θ θ iN

N

ii eee 242

210 ... −−− Γ++Γ+Γ+Γ=Γ (2.5)

Ta giả thiết tiế p là bộ biến đổi đượ c chế tạo đối xứng, sao cho:

N Γ=Γ0 , 11 −Γ=Γ N , 22 −Γ=Γ N , …Biểu thức (2.5) đượ c viết lại như sau:

( ) ( ) ( ) ...2210 ++Γ++Γ=Γ −−−−− θ θ θ θ θ θ N i N iiN iN iN eeeee (2.6)

Nếu N lẻ, số hạng cuối sẽ là ( θ θ ii N ee −− +Γ

21 ). Nếu N chẵn, số hạng cuối sẽ là

2 N Γ .

Phươ ng trình (2.6) có dạng một chuỗi Fourier cosine hữu hạn theo θ, như sau:Đối vớ i N chẵn

( ) ( ) ( ) ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ Γ++−Γ++−Γ+Γ=Γ −

210 21...2cos...2coscos2 N n

iN n N N N e θ θ θ θ θ (2.7)

Đối vớ i N lẻ

( ) ( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ Γ++−Γ++−Γ+Γ=Γ −− θ θ θ θ θ θ cos

2...2cos...2coscos2 1

10 N

n

iN n N N N e (2.8)

Ý ngh ĩ a quan tr ọng của các k ết quả trên là ở chỗ trên thực tế ta có thể tổng hợ p đượ chệ số phản xạ tổng dướ i dạng một hàm số theo tần số (hay θ) bằng cách lựa chọn thíchhợ p các Γn và sử dụng số lượ ng vừa đủ các phân đoạn (số N). Điều đó là hiển nhiên vì

như ta đã biết, một chuỗi Fourier cosine có thể đượ c biểu thị như một hàm tr ơ n tuỳ ý





nếu đưa vào một số số hạng vừa đủ. Nội dung này đượ c gọi là “lý thuyết các phản xạ nhỏ”.

Ở trên ta đã thảo luận cách thức một tr ở kháng tải thực bất k ỳ có thể đượ c phối hợ pvớ i một đườ ng truyền trên toàn một băng thông mong muốn bằng cách sử dụng bộ

phối hợ p nhiều phân đoạn. Khi số lượ ng các phân đoạn r ờ i r ạc (N) tăng lên thì sự khác biệt về tr ở kháng đặc tính giữa các phân đoạn sẽ giảm đi. Khi N tiến đến vô cùng,chúng ta có một cấu trúc mà sự biến đổi tr ở kháng đặc tr ưng là liên tục (hình 2.17).

Hình 2.17. Phố i hợ p tr ở kháng bằ ng d ải liên t ục và mô hình để t ă ng số l ượ ng phân

đ oạn N lên tiế n t ớ i vô cùng [2]

(a). Bộ phố i hợ p tr ở kháng liên t ục(b). Bộ phố i hợ p nhiề u phân đ oạn

Tất nhiên, trong thực tế, một bộ phối hợ p tr ở kháng phải có chiều dài hữu hạn, vàthườ ng không dài hơ n một vài phân đoạn. Nhưng thay vì các phân đoạn r ờ i r ạc, bộ

phối hợ p tr ở kháng có thể là đoạn liên tục như trong hình 2.17. Sau đó, bằng cách thayđổi hình dạng của bộ phối hợ p tr ở kháng, chúng ta có thể đạt đượ c các đặc tính dảitruyền khác nhau.

Ta sẽ rút ra lí thuyết gần đúng về bộ biến đổi liên tục, dựa trên “lí thuyết các phản xạ nhỏ” để biểu thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ theo sự biến đổi của tr ở kháng đặctính Z(z).

Hình 2.17a mô tả một đoạn đườ ng truyền liên tục giống như đượ c ghép bở i nhiều vi phân đoạn mà tr ở kháng đặc tính của các vi phân đoạn chênh nhau một lượ ng

. Khi đó gia số của hệ số phản xạ tại z sẽ là: z ∆

( ) z Z ∆

( )( ) Z

Z

Z

Z

Z Z Z

Z Z Z ∆=

∆≅

+∆+

−∆+=∆Γ

2

1

2(2.9)

Cho , ta nhận đượ c:0→∆ z

( )dz

dz

Z Z d

Z

dZ d 0ln

2

1

2

1==Γ





Lưu ý r ằng:( )( ) ( )

dz dz

z f d

z f

z df

dz

z df

z f dz

z f d ))((ln

)(

)(

)(

1ln=⇒=

Áp dụng lý thuyết các phản xạ nhỏ, hệ số phản xạ tổng tại z = 0 có thể tìm đượ c bằngcách lấy tổng tất cả các hệ số phản xạ riêng, vớ i góc dịch pha tươ ng ứng:

( ) ∫ =

−

⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛ =Γ

L

z

z i dz Z Z

dz d e

0 0

2 ln21 β

θ trong đó l β θ 2= . (2.10)

Nếu biết Z(z) thì có thể tìm hàm ( )θ Γ là hàm phụ thuộc tần số, ngượ c lại nếu chotr ướ c ( )θ Γ thì về nguyên tắc có thể xác định hàm Z(z), tuy nhiên đây là một thủ tục r ấtkhó và trong thực thế ngườ i ta thườ ng tránh thực thiện.

2.4.3. Một số bộ phối hợ p trở kháng dải rộngChúng ta sẽ xem xét một vài tr ườ ng hợ p đặc biệt của Z(z) và đưa ra các đánh giá về đáp ứng của ( )θ Γ .

2.4.3.1. Bộ phối hợ p trở kháng liên tục dạng hàm mũ Chúng ta hãy xem xét bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục dạng hàm mũ, trong đó:

z e Z z Z α

0)( = , trong đó 0 < z < L (2.11)Hàm Z(z) trong (2.11) đượ c vẽ trong hình 2.19a.

Hình 2.18. Bộ phố i hợ p tr ở kháng d ạng hàm mũ

Tại z = 0, ta mong muốn đạt đượ c: Z(0) = Z0. Vớ i biểu thức của Z(z) đã chọn ở trên, tasẽ có:

00

0)0( Z e Z Z == α (đúng như điều ta mong muốn)Tại z = L, chúng ta mong muốn đạt đượ c:

Z(L) = ZL = Z0 eαL ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ =⇒

0

ln1

Z

Z

L

Lα (2.12)

Bây giờ chúng ta sẽ tìm hệ số phản xạ tổng Γ(θ) bằng cách sử dụng (2.12) và (2.11)thay vào (2.10), chúng ta có:

( )

L

L

e

Z Z

dz e L

Z Z

dz edz

d e

L j L

L

z j L

L

z z j

β

β

θ

θ

θ

β

β

α β

sin

2

/ln

)(

2

/ln)(

ln2

1)(

0

0

20

0

2

−

−

−

=Γ⇒

=Γ⇒

=Γ

∫

∫

(2.13)





(a)

(b)

Hình 2.19. Bộ phố i hợ p tr ở kháng liên t ục d ạng hàm mũ [4](a). S ự biế n đổ i của tr ở kháng theo z (b). Đáp ứ ng biên độ của hệ số phản xạ Γ ( θ )

Ta nhận xét r ằng, phép lấy đạo hàm này thừa nhận r ằng β (hệ số lan truyền của bộ phốihợ p tr ở kháng kiểu liên tục) không là hàm của z. Giả định này nói chung chỉ hợ p lý đốivớ i các đườ ng truyền TEM.

Biên độ của hệ số phản xạ tổng Γ(θ) trong (2.13) đượ c vẽ trong hình 2.19b; chú ý r ằngcác đỉnh của |Γ| giảm khi tăng chiều dài L của bộ phối hợ p tr ở kháng. Và chiều dài Lnên chọn lớ n hơ n λ /2 (βL > π) nhằm mục đích tối thiểu hoá sự mất phối hợ p tr ở khángở tần số thấ p.

2.4.3.2. Bộ phối hợ p trở kháng liên tục dạng tam giácTiế p theo chúng ta xem xét bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục dạng tam giác đối vớ i thành

phần [d ln(Z/Z0) ]/d z. Trong đó, Z(z) có dạng:

⎪⎩⎪⎨⎧

= −− 022

02

/ln)1/2/4(0

/ln)/(2

0)( Z Z L z L z

Z Z L z

L

L

ee

Z

Z z Z (2.14)vớ i 2/0 L z ≤≤

vớ i L z L ≤≤2/

Hình 2.20. Bộ phố i hợ p tr ở kháng d ạng tam giác







Klopfenstein đượ c cho là tối ưu ở phươ ng diện hệ số phản xạ nhỏ nhất trên toàn dảitruyền. Nếu xét đặc điểm hệ số phản xạ cực đại trong dải truyền, thì bộ phối hợ p tr ở kháng Klopfenstein cho chiều dài phần phối hợ p tr ở kháng ngắn nhất.

Bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục Klopfenstein nhận đượ c từ bộ phối hợ p dải r ộng nhiềuđoạn Chebyshev khi ta cho số lượ ng các đoạn tiến tớ i vô cùng, điều này cũng tươ ng tự như phân bố Taylor của lý thuyết mảng anten. Chúng ta sẽ không thể hiện chi tiết các

biến đổi này, mà chỉ đưa ra các k ết quả để thiết k ế các bộ phối hợ p tr ở kháng liên tụcKlopfenstein.

Hình 2.22. Bộ phố i hợ p tr ở kháng Klopfenstein

Loga của tr ở kháng đặc tr ưng của bộ phối hợ p tr ở kháng Klopfenstein đượ c cho bở i:

),1/2(cosh

ln2

1)(ln 20

0 A L z A A

Z Z z Z L −Γ

+= φ vớ i L z ≤≤0 (2.17)

Trong đó, hàm ),( A xφ đượ c định ngh ĩ a như sau:

dy y A

y A I A x A x

x

∫ −

−=−−=

02

21

1

)1(),(),( φ φ

vớ i 1≤ x (2.18)

Trong đó, I1(x) là hàm Bessel sửa đổi. Hàm này nhận các giá tr ị đặc biệt dướ i đây:

),0( Aφ = 0

)0,( xφ = 2/ x

),1( Aφ =2

1cosh

A

A −

Nhưng nếu không thì hàm I1(x) phải đượ c tính toán theo phươ ng pháp số.

Hệ số phản xạ tổng đượ c cho bở i:

A

A Le

L j

cosh

)(cos)(

22

0

−Γ=Γ − β

θ β vớ i βL > A (2.19)

Nếu βL < A, thì ta có22)(cos A L − β tr ở thành 22 )(cosh L A β − .

Trong (2.17) và (2.19), Г0 là hệ số phản xạ tại tần số 0 Hz, và đượ c cho bở i:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ≈

+

−=Γ

00

00 ln

2

1

Z

Z

Z Z

Z Z L

L

L (2.20)

Dải truyền đượ c định ngh ĩ a vớ i A L ≥ β , và giá tr ị độ gợ n cực đại trong dải truyền là:





m cosh0Γ

=Γ (2.21)

Bở i vì )(θ Γ dao động trong khoảng )cosh/,cosh/( 00 A A Γ+Γ− vớ i βL > A.

Chú ý r ằng, hàm Z(z) trong (2.17) có các bướ c nhảy tại z = 0 và z = L (hai đầu của bộ phối hợ p tr ở kháng). Giống như bộ phối hợ p tr ở kháng nhiều đoạn Chebyshev, đápứng của bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục Klopfenstein có các đỉnh (phần gợ n) bằng nhautrên toàn dải truyền của nó.

(a)

(b)

Hình 2.23. Bộ phố i hợ p tr ở kháng liên t ục Klopfenstein [4](a). S ự biế n đổ i của tr ở kháng theo z (b). Đáp ứ ng biên độ của hệ số phản xạ Γ ( θ )

2.4.4. Tiêu chuẩn Bode – FanoChúng ta sẽ giớ i hạn các thảo luận đối vớ i mạch trong hình 2.1, ở đó mạng phối hợ ptr ở kháng không tổn hao đượ c sử dụng để phối hợ p một tải phức bất k ỳ trên toàn băngthông của nó. Chúng ta có thể đặt ra mấy câu hỏi sau đây: Chúng ta có thể đạt đượ c phối hợ p tr ở kháng hoàn hảo không (hệ số phản xạ

bằng 0) trên toàn băng thông xác định?





Nếu không đạt đượ c phối hợ p tr ở kháng hoàn hảo, thì chúng ta có thể phối hợ ptr ở kháng tốt tớ i mức nào? Đâu là sự thoả hiệ p giữa Гm, sự phản xạ cực đại cóthể cho phép trong dải truyền và băng thông?

Mạng phối hợ p tr ở kháng phải phức tạ p đến mức nào để thoả mãn các tiêuchuẩn cho tr ướ c?

Các câu hỏi này có thể đượ c tr ả lờ i bở i tiêu chuẩn Bode – Fano (chỉ phù hợ p vớ i mộtsố loại tr ở kháng tải nhất định). Tiêu chuẩn này chỉ ra: giớ i hạn nhỏ nhất (về lý thuyết)

biên độ của hệ số phản xạ có thể đạt đượ c đối vớ i một mạng phối hợ p tr ở kháng bấtk ỳ. Do đó, tiêu chuẩn Bode – Fano thể hiện k ết quả tối ưu có thể đạt đượ c một cách lýtưở ng, và dù k ết quả như vậy trong thực tế chỉ là xấ p xỉ. Tuy nhiên, các k ết quả tối ưunhư vậy luôn quan tr ọng, bở i vì chúng đưa ra giớ i hạn trên về hiệu suất và cung cấ pmột điểm chuẩn để mà các thiết k ế thực tế có thể so sánh.







Hình 3.1. Hình d ạng của anten đượ c thiế t k ế trong khóa luận

3.2. Thiết k ế thành phần bứ c xạ Hình dạng tổng thể của anten mà khoá luận thiết k ế đượ c thể hiện trong hình 3.1 vàthành phần bức xạ đượ c thể hiện trong hình 3.2 dướ i đây.

Hình 3.2. Thành phần bứ c xạ của anten

Thành phần bức xạ đơ n cực phẳng chiếm diện tích là 36 x 15 mm2, và đượ c in trênchất nền FR4 dày 0.8 mm (hằng số điện môi tươ ng đối là 4.4). Tấm điện môi này đượ cdùng phổ biến để làm các mạch PCB cho điện thoại di động. Chất nền (lớ p điện môi)r ộng 36 mm và dài 75 mm. Ở mặt sau của tấm điện môi, mặt phẳng đất đượ c in cóchiều r ộng 36 mm và chiều dài 60 mm. Thành phần bức xạ đơ n cực đượ c tiế p điện bở i

một đườ ng vi dải 50 Ω như đượ c chỉ ra trong hình 3.1.





Thành phần bức xạ chính (patch) ban đầu có dạng hình chữ nhật. Bằng cách xẻ mộtrãnh uốn khúc trên thành phần bức xạ ban đầu tạo ra 3 nhánh, trong đó nhánh cộnghưở ng thứ nhất là nhánh dài hơ n, nhánh cộng hưở ng thứ hai là nhánh ngắn hơ n vànhánh điều chỉnh (nhánh thứ ba) vớ i các kích thướ c chi tiết đượ c chỉ ra trong hình 3.3.

Hình 3.3. Kích thướ c chi tiế t thành phần bứ c xạ của anten

Ta mong muốn anten hoạt động tại 2 dải tần (dải thứ nhất cho GSM và dải thứ hai gồm

4 dải gần nhau là DCS, PCS, UTMS và WLAN), do đó thiết k ế ban đầu chỉ có 2 nhánhcộng hưở ng (không có nhánh thứ ba). Chiều dài của nhánh dài hơ n tính từ điểm tiế pđiện tớ i đầu cuối của nhánh cộng hưở ng thứ nhất là khoảng 75 mm. Giá tr ị này r ất gầnvớ i ¼ bướ c sóng tại tần số 900 MHz trong không gian tự do. Cũng nên chú ý r ằng, tầnsố cộng hưở ng phụ thuộc cả vào chiều dài của nhánh và chiều r ộng của đầu cuối. Theocách tươ ng tự, chiều dài của nhánh cộng hưở ng thứ hai tính từ điểm tiế p điện tớ i đầucuối của nó là khoảng 35 mm, xấ p xỉ ¼ bướ c sóng tại tần số 2 GHz. Độ dài 2 nhánhcộng hưở ng đượ c chọn ngắn hơ n so vớ i ¼ bướ c sóng cộng hưở ng đượ c chọn. Lý dochính là một số tồn tại trong thực tế của chất nền sẽ thu ngắn bướ c sóng cộng hưở ng.

Anten vớ i chỉ 2 nhánh cộng hưở ng 1 và 2 có khả năng hoạt động ở 2 dải tần. Tuynhiên, băng thông lại chưa đủ để bao phủ tất cả 5 dải tần đượ c liệt kê ở trên, đặc biệt làdải WLAN (k ết quả mô phỏng đượ c thể hiện trong chươ ng sau). Do đó, nhánh điềuchỉnh (nhánh thứ ba) đượ c thêm vào tại một vị trí thích hợ p trên nhánh cộng hưở ng thứ nhất. Các k ết quả mô phỏng chỉ ra r ằng, bằng cách điều chỉnh cẩn thận các kích thướ ccủa nhánh thứ ba, các mode cộng hưở ng cơ bản và bậc cao hơ n của nhánh cộng hưở ngthứ nhất có thể đượ c điều chỉnh tớ i tần số mong muốn. Theo dữ liệu mô phỏng, tần số cộng hưở ng của mode cơ bản đượ c giảm từ 900 MHz xuống 870 MHz. Đối vớ i mode

bậc cao hơ n, tần số cộng hưở ng thay đổi từ lớ n hơ n 3 GHz xuống khoảng 2.3 GHz. Dođó, anten khi có đủ 3 nhánh có thể hoạt động ở cả 5 dải tần

GSM/DCS/PCS/UTMS/WLAN.

3.3. Thiết k ế thành phần phối hợ p trở kháng dải rộng3.3.1. So sánh một số bộ phối hợ p trở kháng dải rộngTrong phần này, ta đưa ra một ví dụ về thiết k ế bộ phối hợ p tr ở kháng dải r ộng. Sau đóvẽ đồ thị biến đổi của Z(z) và ( )θ Γ để so sánh.

Ví d ụ: Thiế t k ế bộ phố i hợ p tr ở kháng liên t ụcThiết k ế bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục dạng tam giác, dạng hàm mũ và dạngKlopfenstein (vớ i Гm = 0.02) để phối hợ p tải 50 Ω vớ i đườ ng truyền 100 Ω. Vẽ sự biến

đổi tr ở kháng Z(z) theo z và biên độ của hệ số phản xạ theo βL.





Giải

Bộ phố i hợ p tr ở kháng d ạng tam giác:

Từ (2.14), sự biến đổi của tr ở kháng Z(z) theo z là:vớ i

⎪⎩⎪⎨⎧=

−− 022

0

2

/ln)1/2/4(

/ln)/(2

0

0)( Z Z L z L z

Z Z L z

L

L

e Z

e Z z Z

2/0 L z ≤≤

vớ i L z L ≤≤2/

Vớ i Z0 = 100 Ω và ZL = 50 Ω. Đáp ứng biên độ của hệ số phản xạ đượ c cho bở i (2.16):2

0 2/)2/sin(

ln21

|)(| ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =Γ

L

L

Z

Z L

β

β θ

Bộ phố i hợ p tr ở kháng d ạng hàm mũ:

Từ (2.11) ta có: z e Z z Z α

0)( = , trong đó 0 < z < L

vớ i L Z Z L L /693.0/ln)/1( 0 ==α . Đáp ứng biên độ của hệ số phản xạ đượ c cho bở i(2.13):

L

L Z Z L

β

β θ

sin

2

/ln|)(| 0=Γ

Bộ phố i hợ p tr ở kháng Klopfenstein:Sử dụng (2.20) cho Г0:

346.0ln21

00

00 =⎟⎟

⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛ ≈

+−=Γ

Z Z

Z Z Z Z L

L

L

Và sử dụng (2.21) cho A ta có:

543.3002.0346.0

coshcoshcosh

1010 =⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Γ

Γ=⇒

Γ=Γ −−

m

m A A

Biểu thức của Z(z) có thể tính đượ c theo (2.17). Đáp ứng biên độ của hệ số phản xạ đượ c cho bở i (2.19):

A

A L

cosh

)(cos|)(|

22

0

−Γ=Γ

β θ

Dải truyền đối vớ i bộ phối hợ p tr ở kháng Klopfenstein đượ c định ngh ĩ a vớ i:βL > A = 3.543 = 1.13π.

Hình 3.4.a,b thể hiện sự biến đổi tr ở kháng (theo z/L) và đáp ứng biên độ của hệ số phản xạ (theo βL) đối vớ i 3 loại bộ phối hợ p tr ở kháng trên.





(a)

(b)

Hình 3.4. Đồ thị cho ví d ụ trên [4](a). S ự biế n đổ i của Z(z) của bộ phố i hợ p d ạng tam giác (T), hàm mũ (E) và Klop (K)(b). Đáp ứ ng biên độ - t ần số của hệ số phản xạ cho 3 loại bộ phố i trên

Ta dễ dàng nhận thấy r ằng, bộ phối hợ p tr ở kháng Klopfenstein cho đáp ứng mongmuốn |Г| <= Гm = 0.02 khi βL >= 1.13π thấ p hơ n so vớ i 2 bộ phối hợ p tr ở kháng kia.Trong dải thông của bộ phối hợ p tr ở kháng Klopfenstein, đáp ứng biên độ có các đỉnh

bằng nhau.

3.3.2. Lự a chọn bộ phối hợ p trở kháng dải rộngTrong khóa luận này ta lựa chọn bộ phối hợ p tr ở kháng dạng tam giác. Do hình dạngcủa nó dễ dàng thực hiện đượ c bằng phươ ng pháp thủ công.





3.4. Thiết k ế đườ ng truyền vi dải 50 Ω 3.4.1. Thiết k ế vớ i Ansoft Designer 2.0Chúng ta sẽ xác định độ r ộng (W) của một đườ ng truyền vi dải có tr ở kháng đặc tr ưngZ0 = 50 Ω, hằng số điện môi chất nền εr = 4.4 (FR4-epoxy), chiều cao chất nền h = 0.8mm, độ dày lớ p đồng là t = 0.034 mm.

Các bướ c thiết k ế lần lượ t như sau:1. Khở i động Ansoft Designer 2.02. Từ menu Project, chọn Insert Planar EM Design… Sau đó cửa sổ Choose

Layout Technology xuất hiện cho phép bạn chọn Layout.3. Ta chọn MS-FR4(Er=4.4) 0.060 inch, 0.5 oz copper. Sau đó nhấn Open.4. Cửa sổ thiết k ế xuất hiện, cho phép bạn thực hiện các thao tác thiết k ế. Từ menu

Layout, ta chọn Layers, chọn tab Stackup để sửa đổi các thông số của đườ ngtruyền như hình 3.5 sau:

Hình 3.5. Thiế t l ậ p các thông số của đườ ng truyề n

5. Ta sẽ ướ c lượ ng độ r ộng (W) của đườ ng truyền vi dải. Từ menu Planar EM, tachọn Estimate. Cửa sổ Estimate xuất hiện, vớ i tab mặc định là Tline.

Hình 3.6. Ướ c l ượ ng độ r ộng W của đườ ng truyề n vi d ải





Nhậ p tr ở kháng đặc tr ưng của đườ ng truyền vào phần “Estimate Parameters” và nhấnCalculate. Ansoft Designer cho k ết quả W = 1.526 mm như trong hình 3.6.

3.4.2. Thiết k ế dự a vào lý thuyết đườ ng truyền vi dảiĐườ ng truyền phẳng (planar transmission line) là thành phần tạo nên mạng tiế p điện vidải và các anten mạch in. Anten có thể đượ c tiế p điện bở i nhiều loại đườ ng truyềnkhác nhau, như là các bộ chia công suất, bộ dịch pha, bộ suy giảm, …

Có nhiều phươ ng pháp số đã đượ c giớ i thiệu mô hình hóa đườ ng truyền vi dải, và các phươ ng pháp này sử dụng một số lượ ng lớ n phép tính toán học. Ở đây, ta đưa ra các biểu thức có độ chính xác phù hợ p vớ i các loại sai số khác nhau, chẳng hạn như: dungsai trong các tham số vi dải (εr , h và W) và sai số do phép đo. Các biểu thức sẽ đượ cthể hiện bao gồm: tr ở kháng đặc tr ưng, bướ c sóng, mất mát trên đườ ng truyền, côngsuất cho phép (power handling capability) và hệ số phẩm chất Q. Mode chiếm ưu thế trên đườ ng truyền vi dải là mode quasi-TEM. Ta sử dụng phép phân tích quasi-staticcho một cấu trúc truyền dẫn để xác định dung kháng C trên mỗi đơ n vị chiều dảiđườ ng truyền. Sau đó, giá tr ị này đượ c sử dụng để xác định tr ở kháng đặc tr ưng (Z0)và hằng số điện môi hiệu dụng của đườ ng truyền (εre) bằng cách sử dụng các quan hệ dướ i đây:

10 )( −= aCC c Z (3.1)

εre = C/Ca (3.2)

Trong đó, Ca là dung kháng trên mỗi đơ n vị chiều dài của đườ ng truyền vi dải khi lớ pđiện môi đượ c thay thế bằng không khí và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

3.4.2.1. Trở kháng đặc trư ng Z0

Giả sử độ dày của lớ p đồng dẫn điện t = 0. Tr ở kháng đặc tr ưng của một đườ ng truyềnvi dải đượ c xác định như sau:

)/41/ln(2

21

00 uu F Z

re

++=ε π

η (3.3)

Trong đó:)/666.30(exp)62(6 7528.0

1 u F −−+= π Ω= π η 1200

hW u /=

Hằng số điện môi hiệu dụng:abr r

reu

−+−

++

= )10

1(2

1

2

1 ε ε ε (3.4)

Trong đó:

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

+

++=

3

4

24

1.181ln

7.18

1

432.0

)52/(ln

49

11

u

u

uua

053.0

3.0

9.0

564.0 ⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

−

−=

r

r

b ε

ε





Hình 3.7. Hình d ạng đườ ng truyề n vi d ải và mô hình d ẫ n sóng phẳ ng t ươ ng ứ ng

Ở đây, W là chiều r ộng của dải dẫn điện, h là độ dày của chất nền điện môi, và εre làgiá tr ị hằng số điện môi hiệu dụng tại tần số zero của đườ ng vi dải. Sai số tươ ng đốilớ n nhất của Z0 theo công thức (3.3) nhỏ hơ n 1%. Độ chính xác của biểu thức cho εre nhỏ hơ n 0.2% đối vớ i các chất nền có εre <= 128 và 0.01 <= u <= 100.

Đối vớ i 91.890 >re Z ε , và A > 1.52, ta có:

2)2exp(

)exp(8

−=

A

A

h

W (3.5)

Đối vớ i 91.890 <re Z ε và A<= 1.52, ta có:

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+−

−+−−−=

r r

r B B Bh

W

ε ε

ε

π

61.039.0)1ln(

2

1)12ln(1

2(3.6)

Trong đó:

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

++

−+

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ +

=r r

r r Z A

ε ε

ε ε 11.023.0

1

1

2

1

60

2/1

0

r Z B ε

π

0

260

=

Một lần nữa, độ chính xác của (3.5) và (3.6) đạt tớ i nhỏ hơ n 1%. Ảnh hưở ng của độ dày dải kim loại dẫn điện t tớ i tr ở kháng đặc tr ưng Z0 có thể đượ c k ể đến bằng cáchthay thế u bằng u’ trong công thức (3.3), trong đó u’ đượ c định ngh ĩ a như sau :

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++=

)517.6(coth)/(

)1exp(41ln

12

0'

uht h

t uu

π vớ i εr = 1 (3.7a)

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

+−

+=

1cosh

11

2

0'

'

r

z uu

uu

ε

vớ i εr > 1 (3.7b)

Dựa vào các phươ ng trình trên đây, tr ở kháng đặc tr ưng và hằng số điện môi hiệu dụngcủa một đườ ng vi dải vớ i t > 0 và εr > 1 đượ c cho bở i công thức sau :

(3.8a))( '00 z t u Z Z =

(3.8b))( ' z reret uε ε =

3.4.2.2. Bướ c sóng trên đườ ng vi dải λ Bướ c sóng trên đườ ng vi dải đượ c yêu cầu để thiết k ế các mạch vi dải và các anten vi

dải. Nó đượ c định ngh ĩ a như sau :





f

pυ λ = (3.9)

Trong đó, f là tần số hoạt động, và pυ là vận tốc pha trên đườ ng vi dải, và đượ c cho

bở i :

)( f c

re

pε

υ = (3.10)

Và c là vận tốc ánh sáng. Giá tr ị εre(f) luôn nhỏ hơ n hằng số điện môi εr của chất nền.Từ (B.9) và (B.10) ta có :

)(0

f reε

λ λ = (3.11)

Trong đó, λ 0 là bướ c sóng trong không gian tự do. Hằng số điện môi hiệu dụng εre(f)đượ c cho bở i :

)(1)(

f P f rer

r re

+

−−=

ε ε ε ε (3.12a)

Trong đó :( ) 5763.1

4321 1844.0)( n f P P P P f P +=

)7513.8exp(065683.0)00157.01/(525.06315.027488.0 201 u f u P n −−+++=

)03442.0exp(133622.02 r P ε −−= ])7.38/(exp[1)6.4exp(0363.0 97.4

3 n f u P −−−=

])916.15/(exp[175.21 84 r P ε −−+=

hk mm Hz G fh f n 0713.47).( == (3.12b)

Tần số f tính theo GHz và độ dày h tính theo mm. Độ chính xác của (3.12a) khoảng0.6% khi tần số tớ i tận 60 GHz vớ i 13.0/0,100/1.0,201 0 ≤≤≤≤≤≤ λ ε hhW r .

Mô hình dẫn sóng phẳngMô hình dẫn sóng phẳng của một đườ ng vi dải đã đượ c phát triển để phân tích nhữngchỗ bất liên tục trong các mạch vi dải. Từ đó, nó đượ c sử dụng trong nhiều ứng dụngkhác. Đối vớ i mô hình dẫn sóng phẳng, đườ ng vi dải đượ c mô hình hóa như một dẫnsóng có 2 bản dẫn điện song song và chiều dài hữu hạn, vớ i các vật dẫn từ lí tưở ng ở các mặt xung quanh và các vật dẫn điện lí tưở ng ở mặt trên và mặt dướ i của dẫn sóng.

Cấu hình này đượ c thể hiện trong hình 3.7. Dẫn sóng có độ cao h bằng vớ i độ dày củachất nền vi dải. Dẫn sóng đượ c lấ p đầy bở i một điện môi có hằng số điện môi tươ ngđối εre. Điều này đảm bảo r ằng, dẫn sóng phẳng và đườ ng vi dải tươ ng ứng có cùngvận tốc pha. Độ r ộng bản đối vớ i dẫn sóng là We đượ c xác định để đảm bảo r ằng cả dẫn sóng và đườ ng vi dải đều có cùng tr ở kháng đặc tr ưng Z0 là :

ereW

h Z

ε

η 00 = (3.13)

Một biểu thức đối vớ i độ r ộng hiệu dụng We là một hàm của các tham số vật lý củađườ ng vi dải có thể đượ c xác định bằng cách so sánh (3.3) và (3.13). Hằng số điện môi





hiệu dụng εre có thể nhận đượ c hoặc là từ (3.4) hoặc là từ (3.12). Biểu thức We phụ thuộc vào tần số là :

21)/(1

)0()(

c

ee

f f

W W W f W

+

−+= (3.14)

Trong đó We(0) là giá tr ị We khi sử dụng phép phân tích quasi-static đượ c định ngh ĩ atrong (3.13) và f c1 là tần số cắt của mode TE10 trong mô hình dẫn sóng phẳng :

ree

cW

c f

ε )0(21 = (3.15)

Giá tr ị phụ thuộc tần số của tr ở kháng đặc tr ưng Z0(f), dựa trên mô hình dẫn sóng phẳng, đượ c định ngh ĩ a như sau :

)()()( 0

0 f W

h

f f Z

ereε

η = (3.16)

3.4.2.3. Công suất cho phép trung bình Pav

Công suất cho phép trung bình (average power handling capability, APHC) của mộtđườ ng vi dải đượ c quyết định bở i sự tăng nhiệt độ của dải dẫn điện và chất nền điệnmôi. Các tham số tham gia vào các phép tính toán khả năng lưu giữ năng lượ ng trung bình là các tham số mất mát trên đườ ng truyền, nhiệt dẫn suất của vật liệu chất nền,diện tích bề mặt của dải dẫn điện và nhiệt độ. Do đó, các chất nền điện môi vớ i mấtmát bề mặt thấ p (low-loss tangent) và nhiệt dẫn suất lớ n sẽ làm tăng khả năng lưu giữ năng lượ ng trung bình của đườ ng vi dải.

Năng lượ ng trung bình cực đại đối vớ i một đườ ng vi dải cho tr ướ c có thể đượ c tínhtoán từ công thức :

T

T T P amb

av∆

−= max (3.20)

Vớ i gia số nhiệt độ là :

)/()(2

2303.0W C

f W W K

hT o

e

d

e

c

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=∆

α α (3.21)

Trong đó, We đượ c định ngh ĩ a ở (3.13) và :

2)/(1)(

p

ee

f f

W W W f W

+

−+= (3.22)

h

Z f p

0

0

2µ = (3.23)

Tmax : nhiệt độ lớ n nhất cho phép đối vớ i chất nềnTamb : nhiệt độ môi tr ườ ng xung quanh (ambient)αc (dB/đơ n vị chiều dài) : mất mát do vật dẫn trên dải dẫn điệnαd (dB/đơ n vị chiều dài) : mất mát do điện môi của chất nềnK = nhiệt dẫn suất của vật liệu chất nền





Các đặc tính của các chất nền khác nhau đượ c đưa ra trong bảng 3.1. Đối vớ i polystyrene, nhiệt độ lớ n nhất cho phép là 1000, trong khi các điện môi còn lại đều cónhiệt độ lớ n nhất cho phép lớ n hơ n 1000. Vớ i Tmax = 1000, Tamb = 250 và Z0 = 50 Ω, giátr ị của APHC đối vớ i các chất nền khác nhau tại 2 GHz và 10 GHz đượ c tính toán vàđượ c liệt kê trong cùng bảng. Trong các điện môi xem xét, APHC thấ p nhất ở điệnmôi polystyrene và cao nhất ở điện môi BeO.

Bảng 3.1 : Các đặ c tính của các chấ t nề n đ iện môi khác nhau và APHC

Vật liệu ε tanδ ở 10

GHzK

(W/cm/0C)Độ bền(kV/cm)

APHC ở 2.0 GHz

APHC ở 10.0GHz

Polystyrene 2.53 4.7x10-4 0.0015 280 0.321 0.124Thạch anh 3.8 1.0x10-4 0.01 10x103 1.200 0.523Si (ρ=103Ω-cm) 11.7 50x10-4 0.9 300 3.19 2.23GaAs(ρ=107Ω-cm) 12.3 16x10-4 0.3 350 3.55 1.47

Ngọc bích 11.7 1x10

-4

0.4 4x10

3

11.65 5.10Alumina 9.7 2x10-4 0.3 4x103 12.12 5.17BeO 6.6 1x10-4 2.5 - 174.5 75.7

3.4.2.4. Công suất cho phép tối đa Pp

Việc tính toán công suất cho phép tối đa của đườ ng vi dải phức tạ p hơ n. Điện áp đỉnhcó thể đặt vào đườ ng vi dải mà không gây ra đánh thủng điện môi xác định công suấtcho phép tối đa (Peak Power Handling Capability, PPHC). Nếu Z0 là tr ở kháng đặctr ưng của đườ ng vi dải và V0 là điện áp cực đại mà đườ ng vi dải có thể chịu đựngđượ c, năng lượ ng cực đại đượ c cho bở i:

P p = V0

2

/(2Z0) (3.24)

Các chất nền dày có thể chịu đượ ng điện áp cao hơ n. Do đó, các đườ ng truyền có tr ở kháng đặc tr ưng thấ p và các đườ ng truyền có chất nền dày sẽ cho công suất cho phéptối đa lớ n hơ n.

Cườ ng độ tr ườ ng cực đại cho vật liệu điện môi (dielectric strength) của vật liệu chấtnền, cũng như cườ ng độ tr ườ ng cực đại cho không khí, là các tham số quan tr ọng.Cườ ng độ đánh thủng của không khí khô xấ p xỉ 30 kV/cm. Do đó, điện tr ườ ng cực đạigần cạnh của dải dẫn phải nhỏ hơ n 30 kV/cm. Để tránh đánh thủng không khí gần

cạnh của dải dẫn điện, thì cạnh của dải dẫn điện nên đượ c sơ n một lớ p sơ n (có tínhchất điện môi), lớ p sơ n này có cùng hằng số điện môi như chất nền và là vật liệukhông tổn hao. Cườ ng độ tr ườ ng cực đại cho các điện môi khác nhau cũng đượ c liệt kêtrong bảng 3.1.





MÔ PHỎNG, CHẾ T ẠO VÀ ĐO ĐẠC CÁC THAM SỐ

CỦ A ANTENCHƯƠ NG 4

Tóm t ắ t Khóa luận sử d ụng phần mề m Ansoft HFSS phiên bản 9.1 để mô phỏng cấ u trúc anten

đượ c thiế t k ế . Phần đầu chươ ng giớ i thiệu về công cụ dùng để mô phỏng HFSS, phần phụ l ục đư a ra một số chú ý khi thiế t l ậ p các tham số quan tr ọng tr ướ c khi tiế n hành

phân tích.

Tiế p theo nêu ra qui trình thiế t k ế anten vi d ải, xuấ t phát t ừ yêu cầu của bài toán, thiế t k ế sơ bộ ban đầu, tiế n hành mô phỏng, đ iề u chỉ nh tham số , … cho t ớ i khi đạt đượ canten thỏa mãn các yêu cầu nói trên. Cuố i cùng trình bày k ế t quả đ o đạc bằ ng máynetwork analyze, và so sánh k ế t quả thự c nghiệm vớ i k ế t quả mô phỏng.

4.1. Mô phỏng cấu trúc anten vớ i phần mềm Ansoft HFSS4.1.1. Phần mềm HFSS phiên bản 9.1HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô

phỏng tr ườ ng điện từ theo phươ ng pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất k ỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ư u điểm nổi bật của nó là có giao diện ngườ i dùng đồ họa.

Nó tích hợ p mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lờ i giải)trong một môi tr ườ ng dễ dàng để học, trong đó lờ i giải cho các bài toán điện từ 3D thuđượ c một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng phươ ng pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), k ỹ thuật chia lướ i thích nghi (adaptivemeshing) và k ỹ thuật đồ họa. Ansoft HFSS có thể đượ c sử dụng để tính toán các thamsố chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưở ng, giản đồ tr ườ ng, tham số γ, ...

HFSS là một hệ thống mô phỏng tươ ng tác, trong đó phần tử mắt lướ i cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lờ i giải cho bất k ỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt làđối vớ i các cấu trúc có dạng cong phức tạ p. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng

phươ ng pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng tr ườ ng điện từ bằng các k ỹ thuậtnhư: phần tử hữu hạn, chia lướ i thích nghi, …

Ansoft HFSS cung cấ p một giao diện tr ực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển cácmô hình thiết bị RF thụ động. Chu trình thiết k ế đượ c minh họa trong hình 4.1, baogồm các bướ c sau:

1. Vẽ mô hình vớ i các tham số cho tr ướ c: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biênvà nguồn kích thích.

2. Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lờ igiải.

3. Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động.4. Hiển thị k ết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị tr ườ ng 2D.





Trong quá trình thực hiện phân tích, HFSS sẽ chia toàn bộ cấu trúc thành các tứ diệnnhỏ (gọi là mắt lướ i). Hệ thống mắt lướ i sẽ lấ p kín toàn bộ cấu trúc. Tại mỗi bướ cthích nghi, HFSS sẽ tính giá tr ị của tham số S cho từng mắt lướ i. Giữa 2 bướ c thíchnghi liên tiế p, HFSS sẽ tính gia số Delta S vớ i công thức như sau:

Delta S = Maxij[mag(S Nij – S(N-1)ij] (4.1)

Trong đó i và j là chỉ số của phần tử tuơ ng ứng trong ma tr ận S và N là chỉ số của bướ cthích nghi. Delta S là giá tr ị lớ n nhất của gia số của biên độ của tham số S tươ ng ứng.HFSS sẽ so sánh giá tr ị Delta S này vớ i tiêu chuẩn hội tụ do ngườ i dùng định ngh ĩ a để k ết luận sự hội tụ của lờ i giải.

Hình 4.1. Chu trình thự c hiện mô phỏng vớ i HFSS

K ỹ thuật mô phỏng đượ c sử dụng trong HFSS để tính toán tr ườ ng điện từ 3D bêntrong một cấu trúc dựa trên phươ ng pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method,FEM). Một cách tổng quát, phươ ng pháp FEM chia toàn bộ không gian của bài toánthành hàng ngàn vùng con nhỏ hơ n (gọi là phần tử mắt lướ i) và biểu diễn tr ườ ng trongmỗi phần tử mắt lướ i theo một hàm cơ sở riêng cho phần tử đó.Còn trong HFSS, toàn bộ cấu trúc đượ c chia tự động thành một số lượ ng lớ n các khối

tứ diện. Tậ p hợ p toàn bộ các khối tứ diện này gọi là hệ thống mắt lướ i phần tử hữu





hạn. Ta phải chọn lựa giữa kích thướ c mắt lướ i, độ chính xác mong muốn và tàinguyên (bộ nhớ ) mà máy vi tính sẵn có. Bạn luôn mong muốn đạt đượ c độ chính xáctối đa, điều đó có ngh ĩ a là mắt lướ i cực nhỏ. Nhưng r ất có thể tràn bộ nhớ và vượ t quákhả năng xử lí của máy vi tính.

Để tạo ra hệ thống mắt lướ i tối ưu, HFSS sử dụng quy trình lặ p, gọi là phân tích thíchnghi (adaptive analysis), trong đó mắt lướ i đượ c tự động “cải tiến” trong các vùng conquan tr ọng. Tr ướ c tiên, nó đưa ra một lờ i giải dựa trên một hệ thống mắt lướ i đượ ckhở i tạo “thô”. Sau đó, nó “cải tiến” mắt lướ i trong các vùng có tỷ tr ọng lỗi cao và tạora lờ i giải mớ i. Khi các tham số đã chọn hội tụ trong một giớ i hạn mong muốn, HFSSsẽ thoát khỏi quy trình lặ p.

4.1.2. K ết quả mô phỏng vớ i HFSS 9.1Vớ i tiêu chuẩn hội tụ đượ c thiết đặt ở trên là: sự thay đổi cực đại của biên độ của thamsố S phải nhỏ hơ n 0.02 (giá tr ị mặc định), HFSS cần 6 bướ c thích nghi để thỏa mãntiêu chuẩn hội tụ này. Hình 4.2 thể hiện quá trình hội tụ của lờ i giải.

Hình 4.2. S ự hội t ụ của l ờ i giải trong HFSS

Trong HFSS, ta thu đượ c bảng này bằng cách click phải vào Resuls, sau đó chọnSolution Data. Số lượ ng bướ c thích nghi (Number of Passes) cực đại ta thiết lậ p banđầu là 12, trong khi lờ i giải hội tụ chỉ sau 6 bướ c thích nghi. Biên độ cực đại của DeltaS (Max Mag. Delta S) ta thiết lậ p ban đầu là 0.02, và khi lờ i giải hội tụ giá tr ị này chỉ là 0.0099079. Số lượ ng mắt lướ i (khối tứ diện) tăng lên sau từng bướ c thích nghi. Khilờ i giải hội tụ tại bướ c thích nghi thứ 6, hệ thống mắt lướ i có 15791 khối tứ diện, hệ thống này sẽ lấ p đầy toàn bộ không gian giớ i hạn bở i biên bức xạ như hình 4.3 dướ iđây.





Nếu muốn đạt đượ c k ết quả chính xác hơ n nữa, ta có thể thay đổi tham số “Minimum Number of Passes” tớ i giá tr ị lớ n hơ n 6. Và tiến hành phân tích lại.

Hình 4.3. H ệ thố ng mắ t l ướ i khi l ờ i giải hội t ụ

Đồ thị hệ số phản xạ S11 (Return Loss) theo tần số cho anten đượ c mô phỏng thể hiệntrong hình 4.4a và 4.4b. Trong hình này thể hiện k ết quả mô phỏng cho cả anten cónhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) và không có nhánh điều chỉnh.

Hình 4.4a. Đồ thị S 11 cho anten có nhánh đ iề u chỉ nh (nhánh thứ 3)





Hình 4.4b. Đồ thị S 11 cho anten không có nhánh đ iề u chỉ nh (nhánh thứ 3)

Hình 4.5. Đồ thị VSWR cho anten có nhánh đ iề u chỉ nh (nhánh thứ 3)

Vớ i mất mát do phản xạ (Return Loss) S11 = -8 dB (tươ ng ứng vớ i hệ số sóng đứngVSWR = 2.5), ta thấy anten không có nhánh thứ 3 cộng hưở ng gần các tần số 900MHz và 2200 MHz, tuy nhiên băng thông chưa đủ để bao phủ tất cả 5 dải tần yêu cầu,đặc biệt là dải của WLAN và GSM. Còn anten có nhánh thứ 3 cộng hưở ng gần các tần

số 870 MHz, 2160 MHz. và 2380 MHz. Khi có nhánh thứ 3, tần số cộng hưở ng của







Hình 4.7. Giản đồ bứ c xạ tr ườ ng xa trong mặ t phẳ ng XOZ

Hình 4.8. Giản đồ bứ c xạ tr ườ ng xa trong mặ t phẳ ng YOZ





Hình 4.9. Giản đồ bứ c xạ 3D tr ườ ng xa trong hệ t ọa độ cự c t ại t ần số 870 MHz







Từ các giản đồ bức xạ trên ta thấy, khi tần số tăng lên thì giản đồ bức xạ của anten bị bóp méo dần, do ảnh hưở ng của bức xạ của mặt phẳng đất, cũng như bức xạ do đườ ngtiế p điện vi dải, cũng như sự lệch phối hợ p tr ở kháng tăng lên.

4.2. Chế tạo antenSơ đồ khối trong hình 4.12 thể hiện phươ ng pháp thiết k ế và chế tạo anten vi dải thỏamãn các yêu cầu của bài toán.

Thi ế t k ế sơ bộ anten (tr ướ c khi mô phỏng)

Công việc này đượ c thực hiện tr ướ c khi thực hiện quá trình mô phỏng. Ở bướ c này, ta phải xác định các tham số của anten dựa trên các yêu cầu của bài toán:

Các tham số cơ bản của anten. Các tham số của anten vi dải: hằng số điện môi chất nền, mất mát bề mặt, hình

dạng và kích thướ c thành phần bức xạ, chiều cao chất nền, điện dẫn suất của dảidẫn điện, vị trí tiế p điện, VSWR đầu vào có thể chấ p nhận đượ c để tính toán

băng thông.

Thi ế t k ế anten (giai đ oạn mô phỏng)

Tính toán chi tiết các tham số của anten sử dụng các phươ ng trình toán học: Liệt kê các phươ ng trình tính toán các tham số của anten vi dải. Thực hiện mô phỏng anten vớ i các tham số đã đượ c tính sơ bộ ở trên và biểu

diễn k ết quả thu đượ c. So sánh k ết quả mô phỏng vớ i yêu cầu mong muốn xem đã phù hợ p chưa? Chuẩn bị chế tạo anten: vẽ lại k ết cấu anten trên Protel hoặc AutoCAD.

Chế t ạo anten

Từ file Protel hoặc AutoCAD, ta có thể đi đặt mạch in hoặc thực hiện làm thủ công.

Thiết k ế

K ết quả phân tích

Chế tạo

Đo đạc

Thiết k ế cuối cùng

Con ngườ i

Các ýtưở ng

Các k ỹ thuật thiếtk ế anten

Thiết k ế

sơ bộ

Phần mềm

mô phỏng

Hình 4.12. Phươ ng pháp thiế t k ế anten vi d ải





(a). M ặ t tr ướ c

(b). M ặ t sau

(c). So sánh vớ i kích thướ c của đồng xu

Hình 4.13. Anten đượ c thiế t k ế trong khóa luận





Đo đạc các tham số của anten

Sử dụng máy Network Analyze để đo các tham số: hệ số phản xạ (return loss,hay S11), hệ số sóng đứng, tr ở kháng vào, …

Lậ p hệ đo tr ườ ng bức xạ của anten. Lưu lại tất cả dữ liệu và đồ thị. So sánh k ết quả đo đạc vớ i k ết quả mô phỏng.

Thi ế t k ế hoàn thi ệ n Thực hiện mô phỏng lại để tối thiểu hóa các lỗi. Chế tạo lại anten.

Tiế p tục đo đạc anten mớ i cho tớ i khi k ết quả có thể chấ p nhận đượ c.

Hình 4.13 thể hiện hình ảnh thực tế của anten đượ c thiết k ế trong khóa luận, sử dụngchất nền FR4 có hằng số điện môi εr = 4.4, độ dày chất nền 0.8 mm.

4.3. Đo đạc các tham số của antenBằng máy Network Analyse ta có thể đo đượ c các tham số của anten như: suy hao do

phản xạ (S11), hệ số sóng đứng trên đườ ng truyền vi dải (VSWR), tr ở kháng vào tạiđiểm đặt đầu đo (R + jX), … Sau đó thực hiện lậ p hệ đo tr ườ ng bức xạ của anten.

Từ hình 4.14 và 4.15, ta thấy dạng của đườ ng cong hệ số phản xạ S11 và hệ số sóngđứng VSWR tươ ng đổi khớ p vớ i mô phỏng trên HFSS.

Vớ i giá tr ị hệ số phản xạ (Return Loss, hay S11) đượ c chọn là: S11 = -8 dB, tươ ng ứngvớ i hệ số phản xạ VSWR = 2.5.

S11 (dB) = -20log10(VSWR) (4.2)

Băng thông đo đượ c trên máy Network Analyse tươ ng ứng cho từng dải như sau: Bảng 4.2. Bă ng thông thu đượ c trên thự c nghiệm

Băng tần Tần số Băng thôngGSM 856 MHz – 891 MHz 35 MHz

UMTSWLAN

1941 MHz – 2235 MHz2337 MHz – 2556 MHz

294 MHz219 MHz

Bảng 4.3. Bă ng thông chuẩ n cho các d ải t ần mong muố nBăng tần Tần số Băng thôngGSM 890 MHz – 960 MHz 70 MHzDCS 1710 MHz – 1880 MHz 170 MHzPCS 1850 MHz – 1990 MHz 140 MHz

UMTS 1920 MHz – 2170 MHz 250 MHzWLAN 2400 MHz – 2484 MHz 84 MHz

Băng thông chưa đủ để bao phủ tất cả 5 dải tần mong muốn như liệt kê trong bảng 4.3.Trong đó đặc biệt là các dải GSM, DCS, PCS. Anten đượ c chế tạo mớ i chỉ bao phủ

đượ c 3 là GSM, UMTS và WLAN.





Hình 4.14. Tham số S 11

Hình 4.15. H ệ số sóng đứ ng (VSWR)





Đồ thị so sánh k ết quả mô phỏng và k ết quả đo đạc thực nghiệm trên hình 4.16:

Hình 4.16. So sánh k ế t quả thự c nghiệm và mô phỏng

K ết quả thực nghiệm hơ i lệch so vớ i k ết quả mô phỏng có thể do một số nguyên nhânsau:

Việc chế tạo anten đượ c thực hiện theo phươ ng pháp thủ công, do đó thành phần phối hợ p tr ở kháng dải r ộng có kích thướ c không chính xác như thiết k ế.Điều này làm tăng hiện tượ ng sóng đứng trên đườ ng truyền vi dải, do đó côngsuất truyền ra thành phần bức xạ giảm đi. Đồng thờ i làm giảm độ sâu cộnghưở ng.

Vật liệu chất nền (tấm điện môi mạch in) tại phòng thí nghiệm không phải làvật liệu tốt, vì vậy hằng số điện môi của chất nền εr không chính xác bằng 4.4,chiều cao chất nền h và độ dày dải dẫn điện t không hoàn toàn khớ p vớ i thiếtđặt trên Ansoft HFSS và Ansoft Designer, các tham số mất mát do vật liệu điệnmôi cao hơ n.

Việc mô phỏng chưa đượ c tối ưu hóa.





Đ ÁNH GIÁ K Ế T QU Ả KHÓA LU ẬN

HƯỚ NG NGHIÊN CỨ U TIẾ P THEO

Khóa luận là bướ c mở đầu trong nghiên cứu, thiết k ế và chế tạo anten mạch dải băngr ộng có khả năng hoạt động tại nhiều băng tần. Tuy nhiên trong điều kiện cơ sở vậtchất còn khó khăn, em đã thực sự cố gắng để đạt đượ c một số k ết quả thiết thực nhấtđịnh.

Hướ ng phát triển tiế p theo của khóa luận gồm những vấn đề sau: Tối ưu hóa các thiết đặt tham số trong phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 9.1

để thu đượ c k ết quả chính xác hơ n nữa (Chi tiết trình bày trong phần phụ lụcB). Một số tham số quan tr ọng trong đó là:

o Mesh Operationso Chia dải tần cần quan sát thành các dải nhỏ hơ n, thực hiện phân tích từng

dải vớ i tham số Solution frequency đượ c chọn phù hợ p cho từng dải. Làm tăng băng thông thêm nữa. Tậ p trung vào việc điều chỉnh kích thướ c của

nhánh cộng hưở ng thứ 1, vị trí của điểm tiế p điện, và nghiên cứu chi tiết cácảnh hưở ng của nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3).

Lựa chọn bộ phối hợ p tr ở kháng dải r ộng khác có đặc tính tốt hơ n. Cụ thể là bộ phối hợ p tr ở kháng liên tục Klopfenstein (như chươ ng 2 đã phân tích).

Sử dụng các thiết bị chuyên dùng để chế tạo anten nhằm thực hiện chính xáccác kích thướ c như thiết k ế.







Trên hình vẽ cho ta thấy, lờ i giải hội tụ sau 6 bướ c thích nghi. Giá tr ị Delta S mà tamong muốn là 0.02 (giá tr ị mặc định của HFSS, thông thườ ng là đủ cho các ứngdụng), và sau khi lờ i giải hội tụ giá tr ị Delta S đạt đượ c là 0.009711.

Delta S

Delta S là tiêu chuẩn mặc định đượ c sủ dụng để xác định độ hội tụ của lờ i giải. Delta Sđượ c định ngh ĩ a là giá tr ị chênh lệch lớ n nhất của biên độ của tham số S giữa 2 bướ cthích nghi liên tiế p. Maxij[mag(S N

ij – S(N-1)ij], trong đó i và j là chỉ số của phần tử tuơ ng ứng trong

ma tr ận S và N là số lượ ng bướ c thích nghi. Bở i vì đây là biên độ của một đại lượ ng vector, nó có thể biến đổi trong khoảng

0 đến 2.

Do k ỹ thuật chia lướ i thích nghi dựa trên tr ườ ng E, việc chọn Adaptive Frequency(hay Solution Frequency) thích hợ p có thể là tham số quyết định. Giống như bất k ỳ điều gì trong k ỹ thuật, tất cả các qui tắc đều có ngoại lệ, nhưng nói chung, các gợ i ýdướ i đây sẽ giúp bạn chọn Solution Frequency hợ p lý. Các cấu trúc băng r ộng: giớ i hạn trên của dải tần bạn quan tâm nên đượ c sử

dụng, do mắt lướ i nhỏ hơ n sẽ hợ p lý ở tất cả các điểm tần số thấ p hơ n. Các bộ lọc hoặc các thiết bị băng hẹ p: một tần số trong dải thông (pass-band)

hoặc vùng hoạt động nên đượ c sử dụng, do trong dải triệt (stop-band) thì tr ườ ngE chỉ xuất hiện tại các port. ….

Thi ế t đặt tiêu chuẩ n hội t ụ Ta thườ ng yêu cầu độ chính xác quá lớ n khi định ngh ĩ a Delta S. Hãy nhớ r ằng, quátrình chế tạo, các thiết bị trong phòng thí nghiệm và quá trình đo đạc đều có dung saicố hữu. Nói chung, Delta S khoảng 0.02 (2%), đó là giá tr ị mặc định, hoặc 0.01 (1%)là đủ.

S ự hội t ụ của l ờ i gi ải – Ma tr ận S và các đại l ượ ng tr ườ ng Tiêu chuẩn hội tụ đượ c thiết lậ p dựa trên ma tr ận S. Thông thườ ng, ma tr ận S hội tụ tr ướ c khi các đại lượ ng tr ườ ng (E và H) hội tụ. Điều này nói lên r ằng, nếu bạn đangtìm giá tr ị tr ườ ng tuyệt đối trong miền không gian bạn định ngh ĩ a, có thể bạn cần phảigiải thêm một vài bướ c thích nghi để thu đượ c cùng giá tr ị hội tụ mà bạn đạt đượ c đốivớ i ma tr ận S. Và điều này cũng còn phụ thuộc vào đại lượ ng tr ườ ng (E hay H) mà bạnđang tìm lờ i giải. Ansoft HFSS tìm tr ực tiế p lờ i giải cho tr ườ ng E. Từ tr ườ ng E, nótính ra tr ườ ng H và từ tr ườ ng H nó mớ i tính ra dòng. Do đó, các đại lượ ng tr ườ ng cũngsẽ hội tụ khi thay đổi mật độ mắt lướ i.

B. Phụ lục 2: Một số lư u ý về thiết đặt các tham số trong HFSS B.1. Solution SetupClick phải vào Analysis và chọn Add Solution Setup…. Cửa sổ Solution Setup sẽ hiểnthị. Tại đây ta sẽ thiết đặt Solution Frequency (hay Adaptive Frequency) vàConvergence Criteria (tiêu chuẩn hội tụ).





General Tab

Solution FrequencyTần số này đượ c sử dụng bở i thành phần chia lướ i thích nghi (adaptive mesher) để tự động chia mắt lướ i. Sau khi thiết đặt “Solution frequency”, tất nhiên sẽ nhận đượ c mộtgiá tr ị bướ c sóng tươ ng ứng, và HFSS sẽ thiết đặt việc tính toán các mắt lướ i theo giátr ị bướ c sóng này. Do đó, nếu thiết đặt tần số “Solution frequency” cao hơ n, ta sẽ nhậnđượ c bướ c sóng ngắn hơ n, mắt lướ i ta thu đượ c cũng nhỏ hơ n. Điều đó cũng có ngh ĩ ar ằng, số lượ ng mắt lướ i sẽ lớ n hơ n. Về lý thuyết, k ết quả mô phỏng nhận đượ c sẽ chính xác hơ n. Vì vậy, “Solution frequency” không nhất thiết phải trùng vớ i tần số cộng hưở ng của cấu trúc.

Tuy nhiên, ta sẽ gặ p một vấn đề khác đó là: tài nguyên của máy vi tính (bộ nhớ ) là cóhạn. Do đó, nếu số lượ ng mắt lướ i quá lớ n, sẽ làm tràn bộ nhớ máy tính. Giải pháp chovấn đề này đượ c thực hiện như sau: chia dải tần quan tâm (500 MHz – 3 GHz), đối vớ ianten đượ c thiết k ế trong khóa luận này, thành 5 dải tần nhỏ hơ n và thực hiện phântích vớ i thiết đặt “Solution frequency” cho từng dải nhỏ như sau:

Bảng B.1. Lự a chọn Solution frequency

Dải tần Solution frequency500 -- 1000 MHz

1000 -- 1500 MHz1500 -- 2000 MHz2000 -- 2500 MHz2500 -- 3000 MHz

1000 MHz1500 MHz2000 MHz2500 MHz3000 MHz

Hình B.1. Thiế t đặ t các tùy chọn “Solution Setup” trong tab General









Bảng B.1. Lự a chọn độ dài cự c đại của mắ t l ướ iDải tần Maximum Length of Elements

500 -- 1000 MHz1000 -- 1500 MHz1500 -- 2000 MHz2000 -- 2500 MHz2500 -- 3000 MHz

10 mm7 mm5 mm4 mm3 mm

Hình B.3. Thiế t đặ t tùy chọn Mesh Operations

B.3. Radiation BoundaryBiên bức xạ (radiation boundary), cũng còn gọi là biên hấ p thụ (absorbing boundary).Sóng điện từ bức xạ ra ngoài cấu trúc anten và đi thẳng tớ i biên bức xạ. Hệ thống sẽ hấ p thụ các sóng bức xạ này tại biên bức xạ. Các biên bức xạ cũng có thể đượ c đặttươ ng đối gần vớ i cấu trúc và có thể có hình dạng bất k ỳ. Vớ i cấu trúc đượ c thiết lậ p

biên bức xạ, các tham số S đượ c tính toán có tính đến cả các ảnh hưở ng của mất mát

do bức xạ. Khi biên bức xạ đượ c thiết lậ p trong một cấu trúc, tr ườ ng xa đượ c tính toándựa trên sóng hấ p thụ thu đượ c tại biên bức xạ.

Để đơ n giản, ta thườ ng vẽ biên bức xạ là một hình hôp chữ nhật, và độ dài cạnh của nóthườ ng đượ c chọn bằng bướ c sóng trong chân không của tần số thấ p nhất trong dải tầnquan tâm. Tuy nhiên, đôi khi quá trình mô phỏng vớ i thiết đặt biên bức xạ như vậydiễn ra quá chậm, ta có thể thiết đặt biên bức xạ bằng chỉ ½ giá tr ị bướ c sóng trongchân không của tần số thấ p nhất. Trong khóa luận này, tần số thấ p nhất trong dải 500MHz – 3000 MHz là 500 MHz, do đó ta vẽ biên bức xạ là một hình hộ p chữ nhật (hìnhB.4) vớ i độ dài cạnh là 300 mm (1/2 bướ c sóng tại tần số 500 MHz).





Hình B.4. Biên bứ c xạ cho anten trong khóa luận





TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt[1] GS. TSKH. Phan Anh, Lý thuyế t và k ỹ thuật anten, NXB Khoa học k ỹ thuật, Hà

Nội, 2007[2] GS. TSKH. Phan Anh, Lý thuyế t và k ỹ thuật siêu cao t ần, Tài liệu giảng dạy tạitr ườ ng ĐH Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội

Tiếng Anh[3] Constantine A. Balanis, Antenna Theory – Analysis and Design, John Willey &Son, INC, Second Editon[4] David M. Pozar, Microwave Engineering , John Willey & Son, INC, Second Editon[5] Y. J. Wang, C. K. Lee, Design of Dual-Frequency Microstip Patch Antennas and

Application for IMT-2000 Mobile Handsets, Nanyang Technological University, Nanyang Avenue, Singapore[6] Xu Jing, Zhengwei Du and Ke Gong, Compact Planar Monopole Antenna for Multi-band Mobile Phones, Tsinghua University, Beijing, People’s Republic of China[7] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna

Design Hanbook , Artech House[8] U.S. Marine Corps, Field Antenna Handbook

[9] Chin Liong Yeo, Active Microstrip Array Antennas, Submitted for the degree of Bachelor of Engineering, University of Queensland

Công cụ tìm kiếm Google, vớ i các từ khóa: wideband impedance matching, broadband antenna, monopole antenna, multiband antenna.

Documents

Khoa Luan Ve Anten