đề tài tốt nghiệp thiết kế ăngten mạch dải

đề tài tốt nghiệp thiết kế angten mạch dải

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay chúng ta đang sống trong thời kì đất nước đi lên hiện đại hoá – công nghiệp hoá Thời kì của khoa học kĩ thuật phát triển như vũ bão, thời kì của sự giao lưu mọi mặt trong mọi lĩnh vực của các quốc gia trên thế giới với nhau vì vậy chúng ta cần tiếp cận và sử dụng thông tin có giá trị về mặt thời gian và có chất lượng Sức cạnh tranh của các ngành công nghiệp bắt nguồn

từ việc tái tạo các giá trị và sản phẩm lớn hơn, trong đó việc thông tin liên lạc đóng vai trò cốt lõi cho sự phát triển của xã hội

Hiện nay thông tin đã xuất hiện nhiều hình thức và phương tiện, song thông tin vô tuyến điện luôn giữ vai trò quan trọng Trong đó ăngten là một thiết bị không thể thiếu đối với bất kì hệ thống thông tin vô tuyến điện nào Ăngten là một thiết bị bức xạ sóng điện từ hoặc thu sóng điện từ từ không gian bên ngoài Ăngten được mắc trực tiếp hoặc gián tiếp với phide mạch ra của máy phát hoặc mạch vào của máy thu Được sử dụng vào các mục đích khác nhau như thông tin chuyển tiếp radar, vô tuyến điều khiển yêu cầu ăngten có tính định hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì ăngten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất)

Trong những năm gần đõy, ăngten mạch dải được tập trung nghiên cứu nhiều và đã đạt được nhiều thành tựu cả trong công nghệ và thực tiễn, nhất là trong lĩnh vực thông tin vô tuyến di dộng, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần Và ăngten mạch dải tỏ ra là một loại ăngten có nhiều tiện lợi và hiệu quả

Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và hướng dẫn của thầy Đại tá – Tiến

sĩ HOÀN ĐèNH THUYấN chọn đề tài đồ án: “Thiết kế ăngten mạch dải”

Mục đích nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính toán ăngten mạch dải, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng và tham số của ăngten

Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy Đại tá – Tiến sĩ HOÀNG ĐèNH THUYấN em đã hoàn thành đồ án này.

Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử, cảm ơn thầy Đại tá – Tiến sĩ Hoàng Đỡnh Thuyờn đó chỉ bảo và hướng dẫn tận tình em trong quá trình học tập tại trường và trong quá trình làm đồ án

Sau đây em xin trình bày nội dung đồ án này

PHẦN I ĐẶC TRƯNG VÀ THAM SỐ CỦA ĂNGTEN

Ăngten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài Ăngten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất

kì hệ thống vô tuyến điện nào bởi vì trong hệ thống vô tuyến điện có sử dụng sóng điện từ Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản gồm máy phát, máy thu, ăngten phát và ăngten thu Hình dưới mô tả sơ đồ khối của hệ thống thông tin vô tuyến một chiều:

a Hệ thống phát b Hệ thống thuTheo hình vẽ dao động điện từ đã được điều chế do máy phát tạo ra truyền tới ăngten phát Ăngten phát sẽ biến đổi năng lượng của dao động điện

từ dưới dạng sóng liên kết thành năng lượng sóng điện từ tự do và bức xạ vào không gian theo hướng tới máy thu Một phần năng lượng này sẽ tới ăngten thu của hệ thống thu va được biến đổi thành năng lượng của dao động điện từ xuất hiện trong ăngten thu Dao động điện từ này được đưa tới máy thu

Trên hình vẽ sau mô tả sơ đồ khối của Radar Trong trường hợp này sóng điện từ phát xạ bởi ăngten phát 2 truyền trong một chum tia hẹp tới mục tiêu 3

điều chế

Ăng ten thu

Hệ thống cảm thụ bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệu

Máy thu Thiết bị

xử lý

Một phần năng lượng của sóng phản xạ từ mục tiêu quay trở lại ăngten thu 4(đặt gần ăngten phát) kích thích trong ăngten thu một dao động điện từ

và được đưa tới lối vào của máy thu 5

Từ những mô hình trên ta có thể định nghĩa như sau:

- Ăngten phát là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dao động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành năng lượng của sóng điện từ tự do

và phát xạ vào không gian theo một quy luật xác định

- Ăngten thu là thiết bị dùng để thu năng lượng của sóng điện từ tự do

từ không gian bên ngoài tới theo một quy luật xác định và biến đổi năng lượng này thành năng lượng của dao động liên kết trong ăngten va cung cấp cho máy thu

Như vậy ăngten phát cũng như thu đều có quá trình biến đổi năng lượng Trong quá trình đú cú sự tổn hao nhiệt do kim loại làm ăngten cũng như các chất điện môi cách điện không phải là lý tưởng

Ngoài ra ta còn thấy rằng khi phát cũng như thu ăngten phải có tính định hướng xác định phù hợp với yêu cầu của hệ thống vô tuyến đó Ăngten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, vô tuyến điều khiển từ xa,… Mặt khác để kích thích sóng điện từ trong các hệ thống định hướng như ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng,… người ta cũng dựng cỏc kết cấu tương tự ăngten

Ngày nay, sự phát triển kĩ thuật trong các lĩnh vực radar, thông tin, điều khiển,… cũng đòi hỏi ăngten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu

Tất cả các chỉ tiêu kĩ thuật của ăngten có thể chia thành 2 nhóm phù hợp với 2 nhiệm vụ cơ bản của ăngten:

- Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự do phát xạ vào không gian và ngược lại

Toàn bộ các bài toán xác định các chỉ tiêu kĩ thuật(cỏc tham số và đặc trưng) của ăngten có thể được chia làm 2 nhóm:

- Nhóm 1: gồm các bài toán tính trường trong vùng gần, việc giải bài toán này cho phép xác định các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của ăngten như: trở vào, hiệu suất, dải tần công tác, công suất cực đại cho phép

- Nhóm 2: gồm các bài toán tính trường trong vùng xa Việc giải bài toán này ta có thể xác định được những chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính định hướng của ăngten và trường của ăngten trong vùng xa như: đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất bức xạ

Ta có thể hiểu vùng xa của ăngten là vùng không gian bao gồm các điểm cách đủ xa ăngten sao cho tại đó chỉ tồn tại sóng tự do bức xạ từ ăngten ra phía vô cực Tại vùng này không tồn tại năng lượng vụ cụng liên kết với ăngten, phần năng lượng này chỉ định vị trong vùng gần ăngten

Giả sử ăngten có kích thước là chiều dài L, khi đó một điểm cách ăngten một khoảng r được xem là thuộc vùng xa thì phải thoả mãn điều kiện:

r ằ λ và r ằ

Ở đây: r _ khoảng cách đến điểm quan sát

λ _ bước sóng

1.1 Đặc trưng hướng của ăngten

Từ lý thuyết trường ta đã biết: biên độ phức của cường độ trường của một nguồn phát xạ sóng điện từ tại một điểm tuỳ ý trong vùng xa có thể viết dưới dạng sau:

Ё = f ej e-jkr (1.1)Trong đó: r, θ, φ là các toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ hình cầu: hình 1

k = là số sóng

IA là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên ăngten

f(θ,φ).ej (θ,φ) = (θ,φ) là một hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc của ăngten; (θ,φ) là pha của trường

Hình 1 Đặc trưng hướng của ăngten

Định nghĩa: Hàm f(θ,φ), tức mô đun của hàm (θ,φ) xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của ăngten tại các điểm nằm trong vùng

xa và cách đều ăngten vào hướng quan sát được gọi là đặc trưng hướng của ăngten

Biểu diễn hình học của đặc trưng hướng trong không gian của ăngten là một mặt cầu kín do đầu mút của bán kính vectơ trong hệ toạ độ cầu vẽ nên Bán kính vectơ cú mụdun tỉ lệ với biên độ cường độ điện trường Trong thực

tế thường gặp các đặc trưng hướng có dạng đặc biệt như:

- Đặc trưng hướng có dạng hình xuyến (hình 2.a)

- Đặc trưng hướng có dạng hình kim (hình 2.b)

- Đặc trưng hướng có dạng hình quạt (hình 2.c)

- Đặc trưng hướng có dạng hình cosecant (hình 2.d)

Hình 2 Một số dạng đặc trưng hướng

Trường hợp ăngten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn dưới dạng tổng của 2 trường phân cực tuyến tính Các vectơ điện của 2 trường này Eθ

và Eφ vuông góc nhau va lệch pha nhau một góc δ

Do đó đối với các ăngten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần θ và thành phần φ: fθ(θ,φ) và fφ(θ,φ)

Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các ăngten khác nhau, người ta đưa vào khái niệm đặc trưng hướng chuẩn hoá Đó là tỉ số giữa giá trị của đặc trưng hướng f(θ,φ) theo hướng bất kì với giá trị cực đại fmax của nó

F(θ,φ) = (1.2)

*) Các phương pháp mô tả đặc trưng hướng:

- Đặc trưng hướng không gian (biểu diễn không gian của hàm f(θ,φ)) không tiện cho việc mô tả tính định hướng của ăngten, vì thế người ta thường dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng trên mặt phẳng Ta gọi giao tuyến của đặc trưng hướng không gian với các mặt phẳng đi qua hướng phát xạ cực đại là đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng) Từ nay nói tới đặc trưng hướng ta sẽ hiểu đó là đặc trưng hướng phẳng

Người ta thường mô tả đặc trưng hướng trong 2 mặt phẳng vuông góc (hình 1.3)

Hình 1.3 Hình 1.4

Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa vectơ gọi là mặt phẳng E

Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa vectơ gọi là mặt phẳng H

Có thể vẽ đặc trưng hướng trong toạ độ cực hoặc toạ độ vuông góc Đặc trưng hướng vẽ trong toạ độ cực cho ta thấy được tính định hướng của ăngten một cách trực quan nhất, còn đặc trưng hướng trong toạ độ vuông góc có thể biểu diễn chính xác hơn

Thông thường đặc trưng hướng có một số cực đại, ta nói đặc trưng hướng có nhiều cỏnh súng (hỡnh 1.4) Cỏnh cú hướng phát xạ cực đại với cường độ lớn nhất gọi là cỏnh chớnh, cỏc cỏnh còn lại gọi là cánh phụ (hoặc cánh bến) Nếu cánh phụ có cực đại ngược chiều với cỏnh chớnh gọi là cỏnh súng sau

Ngoài đặc trưng hướng theo cường độ trường, người ta cũn dựng đặc trưng hướng tính theo công suất Fp(θ,φ) Hàm Fp(θ,φ) mô tả sự phụ thuộc của mật độ dòng công suất tại các điểm cách đều ăngten vào hướng quan sát (hình 1.5a)

Hình 1.5 Đặc trưng hướng theo decibel

Vì mật độ dòng công suất tỉ lệ với bình phương của cường độ điện trường nên: Fp(θ,φ) = F2(θ,φ) (1.3)

Người ta còn có thể biểu diễn đặc trưng hướng theo decibel (hình 1.5b) Với cách biểu diễn này mức của các cánh phụ nhỏ có thể được đánh giá trực quan dễ hơn: Fdb(θ,φ) = 10lgFp(θ,φ) = 20lgF(θ,φ) (1.4)

Người ta gọi góc mở cỏnh súng chớnh theo mức nửa công suất (2θ0,5) là góc giữa 2 phương ứng với giá trị Fp(θ,φ) = 0,5 hay F = 0,707

…

Ăngten có đặc trưng hướng hình quạt có mức độ định hướng khác nhau trong 2 mặt phẳng chính và nó thường được dùng để xác định 1 toạ độ góc của mục tiêu trong kĩ thuật Radar

1.2 Đặc trưng pha của ăngten

Đặc trưng pha của ăngten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong vùng

xa mà tại đó vectơ cường độ trường có cùng một giá trị pha

Ta cho biểu thức pha của cường độ trường trong (1.1) bằng hằng số: Ф(θ,φ) - kr(θ,φ) = const

Từ đây ta tìm được biểu thức của đặc trưng pha:

r(θ,φ) =

Giá trị của const trong biểu thức này được xác định từ điều kiện: r = r0

khi (θ,φ) = (0,0) Do đó:

và phân bố pha là không đổi hoặc là hàm lẻ so với điểm giữa của ăngten.

Trong trường hợp ăngten không có tâm pha, ta có thể tiệm cận từng phần của mặt phẳng pha bằng các mặt cầu Như vậy đối với mỗi phần ta có một tâm pha Tập hợp cỏc tõm pha ứng với tất cả các khoảng có thể nằm trong một miền nào đó quanh chỗ đặt ăngten Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt phẳng chính E và H

Trong không gian mỗi khi qua hướng phát xạ 0, pha của trường lại thay đổi đột ngột 1800 Vì thế đặc trưng pha phẳng của ăngten có nhiều cỏnh sóng

có những chỗ nhảy bậc (hình 1.6 Đặc trưng pha của ăngten)

1.3 Đặc trưng phân cực của ăngten

Trường của ăngten tại mỗi điểm trong vùng xa không chỉ được đặc trưng bởi biên độ và pha mà cả sự phân cực nữa, tức là hướng dao động của vectơ

Mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa phương truyền sóng và vectơ cường độ điện trường Sự phân cực của trường được xác định bởi loại ăngten

và vị trí của nó trong không gian Ví dụ trường của một ăngten dây thẳng là trường phân cực tuyến tính, tức là ở tại điểm quan sát vectơ định hướng dọc theo một đường thẳng Nói khác đi, đầu mút của vectơ dao động trên một đường thẳng Chấn tử đặt thẳng đứng trên mặt đất sẽ bức xạ sóng phân cực đứng (vectơ nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt đất – mặt phẳng đứng), chấn tử ngang bức xạ sóng phân cực ngang

Trong trường hợp tổng quát trường có đặc trưng phân cực elip, có thể xem nó là tổng của 2 trường phân cực tuyến tính có các vectơ điện và vuông góc nhau và lệch pha nhau một góc nào đó Khi đó đầu mút của vectơ tổng vẽ trong không gian một hình elip sau một chu kì dao động Xét tại một điểm trong không gian, elip này nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền như hình 1.7

Hình 1.7 Elip phân cực trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng

Dưới đây ta sẽ chứng minh điều đó: giả sử cho trước giá trị tức thời của cường độ điện trường:

(1.7)

Từ biểu thức trên ta có: sinωt = (1.8)

(1.9)

Chuyển thừa số trong (1.9) sang vế trái, sau đó bình phương cả

2 vế ta được:

(1.10)

Biểu thức (1.10) là phương trình tổng quát của elip Tuỳ theo giá trị của

δ, Eθ, Eφ dạng của elip phân cực và vị trí của nó trong không gian có thể khác nhau Ví dụ:

- Khi δ = nπ (n: là số nguyên) trường phân cực tuyến tính

- Khi δ = và Eθ = Eφ trường phân cực tròn

Để đánh giá tính phân cực ta đưa ra khái niệm về hệ số phân cực và đặc trưng phân cực

- Hệ số phân cực: tỉ số giữa bán trục nhỏ và bán trục lớn của elip gọi là

Với Từ đây ta thấy khi trường phân cực tuyến tính (δ = nπ) thì p

= 0 Khi trường phân cực tròn (δ = ) thì p = 1 Trong trường hợp

1.4 Công suất phát xạ và hệ số tác dụng định hướng

Để đánh giá giá trị định lượng tổng hợp tính chất định hướng của ăngten, người ta đưa ra tham số gọi là hệ số tác dụng định hướng của ăngten

Hệ số tác dụng định hướng (kí hiệu là D) chỉ rõ phải tăng công suất phát

xạ của ăngten lên bao nhiêu khi thay ăngten định hướng đó bằng một ăngten

vô hướng (giả định) sao cho vẫn giữ được giá trị cường độ trường tại điểm thu không đổi (hình 1.8) Cũng có thể gọi hệ số tác dụng định hướng là độ tăng ích về công suất phát xạ do tính định hướng của ăngten

(1.12)

Hình 1.8 Cường độ trường tại điểm thu không đổi

Theo (1.1) biên độ cường độ trường của ăngten định hướng trong vùng

xa được xác định bằng biểu thức tổng quát:

PΣdh = (1.15)

Đối với ăngten vô hướng: PΣvh =

Với điều kiện Edh = Evh (trong định nghĩa (1.12)) thì:

vô hướng tạo ra cũng tại điểm đó, nếu công suất phát xạ của 2 ăngten như nhau

1.5 Trở phát xạ của ăngten

Khi giải bài toán về sự phát xạ của ăngten được làm từ các dây dẫn mảnh

cú dũng IA người ta thường đưa vào khái niệm trở phát xạ của ăngten Nếu xem ăngten là một giải phức: ZΣ = RΣ + jXΣ

Tiêu thụ công suất của máy phát và biến công suất này thành năng lượng phát xạ vào không gian, thì công suất phát xạ vào không gian bằng:

PΣ = (1.24)

Trong đó: RΣ được gọi là trở phát xạ của ăngten So sánh (1.24) với (1.15) ta có:

RΣ = (1.25)

Ví dụ: xác định trở phát xạ của ăngten lưỡng cực Hertz có chiều dài l Từ

lý thuyết trường ta có biên độ cường độ trường của lưỡng cực Hertz có thể xác định theo biểu thức:

IA Người ta thường tính theo dòng tại điểm bụng Ib Nếu biết quy luật phân

bố dòng IA = I(z) trên ăngten thì có thể tính được trở phát xạ đối với dòng I(z) tại thiết diện bất kì theo trở phát xạ tại điểm bụng Từ đẳng thức về công suất phát xạ:

(1.29)

Giá trị RΣ(z) được xác định bởi trường của ăngten trong vùng xa, bởi đặc trưng phân bố dòng hay điện áp trên ăngten, và phụ thuộc vào tỉ số kích thước của ăngten trên bước sóng λ

Trong điều kiện lý tưởng (không có nhiễu, năng lượng phát xạ không bị hấp thụ trên đường truyền sóng), khi biết các giá trị của ăngten phát như PΣ, Dmax, F(θ,φ) ta có thể tính được cự ly truyền sóng theo giá trị E(θ,φ) Từ đây

ta đi tìm công thức truyền sóng lý tưởng (truyền sóng trong không gian tự do): theo (1.13)

1.6 Hiệu suất và hệ số khuếch đại

Phần lớn công suất đưa vào ăngten được phát xạ ra không gian và tạo nên một phân bố cường độ trường xác định trong không gian thuộc vùng xa Nhưng có một phần công suất bị tiêu hao (chủ yếu dưới dạng nhiệt năng)

ngay trên ăngten và các vật thể bao quanh nó Mức độ sử dụng công suất đưa vào ăngten được xác định bằng hiệu suất của ăngten.

Hiệu suất η A của ăngten: là tỉ số giữa công suất do ăngten phát xạ PΣ

(công suất hữu ích) và công suất đưa vào PA (gồm công suất phát xa PΣ và công suất tiêu hao Pth)

ηA = với PA = PΣ + Pth (1.31)

Đối với các đa số ăngten siêu cao tần ηA ≈ 0,9 Để đánh giá mức độ tăng ích công suất do tính định hướng và chú ý tới sự tiêu hao trên ăngten, người ta đưa ra khái niệm hệ số khuếch đại G trên ăngten

Hệ số khuếch đại G: là tỉ số giữa công suất phát xạ của ăngten vô hướng

PΣvh và công suất đưa vào ăngten định hướng PAdh, với điều kiện các ăngten cùng tạo ra một giá trị cường độ điện trường tại điểm quan sát

Gmax

1.7 Chiều dài hiệu dụng của ăngten

Trong thời kì đầu của sự phát triển kĩ thuật ăngten người ta đưa vào khái niệm chiều dài hiệu dụng để đánh giá mức độ định hướng của các ăngten dây

Chiều dài hiệu dụng của một ăngten dây: là chiều dài của một lưỡng cực

Hertz (có phân bố dòng đều) cú dũng bằng dòng tại điểm bụng Ib của ăngten dây và cho cùng một giá trị cường độ điện trường theo hướng phát xạ cực đại tại điểm quan sát như ăngten dây

Từ (1.26) ta có trường theo hướng phát xạ cực đại của lưỡng cực Hertz là:

Ý nghĩa của việc đưa khái niệm lhd là ta đã thay ăngten thực với chiều dài

l có phân bố dòng không đều bằng một ăngten có chiều dài lhd có phân bố dòng đều

Hình 1.9 Chiều dài hiệu dụng của ăngten

Từ (1.34) ta thấy cường độ trường của lưỡng cực Hertz tỉ lệ với đại lượng:

Khái niệm lhd chỉ có ý nghĩa đối với các ăngten tương đối ngắn so với λ, khi mà hàm phân bố dòng Iz không đổi dấu trên suốt chiều dài l.

1.8 Trở vào của ăngten

Lối vào của ăngten là thiết diện mà tại đó kết thúc đường dây phide, ta đã biết ăngten phát là tải của phide, nó được đặc trưng bởi công suất thuần, công suất kháng, công suất giới hạn và trở vào

Trở vào của ăngten là tỉ số giữa điện áp và dòng tại lối vào của ăngten:

Zv = = Rv + jXv (1.38)

Cần phải biết trở vào của ăngten để thực hiện sự phối hợp với phide Từ

lý thuyết đường dây ta biết: để phối hợp trở kháng giữa ăngten và phide có trở sóng ρf cần thoả mãn điều kiện: Rv = ρf , Xv = 0

Công suất ăngten tiêu thụ gồm công suất phát xạ và công suất tiêu hao Tương tự như trở phát xạ, ta cũng đưa vào khái niệm trở tiêu hao Rth, trở này tiêu tán công suất tiêu hao Do đó:

PA = và Rv = RΣv + Rthv

Vì:

ηA = nên ηA =

Như vậy thành phần hoạt của trở vào gồm trở phát xạ và trở tiêu hao tính

ở lối vào của ăngten Nếu ăngten có hiệu suất cao thì Rv ≈ RΣv Theo quan điểm xét chế độ hoạt động của phide thì RΣv tương đương với thành phần hoạt của trở tải phide Nhưng về bản chất RΣv chỉ thuần tuý là một tải điện động tương đương Nó phản ánh kết quả tương tác ngược của trường phát xạ trong vùng xa lên ăngten Trong khi đó thì để tính trở tiêu hao Rth ta cần phải biết giá trị trường hoặc dòng ngay trên ăngten

Nguyên nhân tồn tại thành phần kháng Xv của trở vào chính là do sự tồn

tại công suất kháng dao động giữa ăngten và trường trong vùng gần Giá trị công suất kháng phụ thuộc rất nhiều vào dạng mặt dẫn của ăngten Để tính Xv

ta cần phải biết cấu trúc trường của ăngten trong vùng gần Bài toán tìm Xv

phức tạp nên người ta hay xác định Xv bằng thực nghiệm

Đối với các ăngten được nuôi bằng ống dẫn sóng (ăngten siêu cao tần) thì có thể tính trở vào qua hệ số phản xạ Từ lý thuyết đường dây ta có công thức tính hệ số phản xạ:

Г =

Do đó:

Zv’ = = (1.40)

Ở đây Zv’ là trở vào chuẩn hoá của ăngten

1.9 Dải tần công tác của ăngten (dải thông)

Sóng điện từ được phát xạ hoặc thu về bởi ăngten là những dao động điện từ đã biến điện Mọi dao động biến điện đều có một phổ tần nào đó Do vậy để đánh giá khả năng làm việc của ăngten khi tần số thay đổi như thế nào, người ta đưa ra khái niệm dải tần công tác (hay dải thông)

Dải thông của ăngten là dải tần mà trong đó sự thay đổi các chỉ tiêu kĩ thuật cơ bản của ăngten (các tham số và đặc trưng) theo tần số không vượt quá một phạm vi cho phép

Dải thông của ăngten được xác định bởi đặc trưng tần số của nó Đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của các chỉ tiêu kĩ thuật vào tần số Đối với các ăngten dõy thỡ đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của biên độ dòng ở lối vào vào tần số khi điện áp trên lối vào không đổi: Iv = Iv(ω)

Để độ méo tín hiệu nằm trong phạm vi cho phép, người ta quy ước dòng

ở lối vào phải không thay đổi quá giá trị 3dB so với giá trị cộng hưởng (Imax) Tức là:

Hình 1.10 Dải thông của ăngten

Chính sự phụ thuộc của trở vào vào tần số quyết định sự thay đổi của dòng theo tần số khi uv = const

Iv(ω) =

Đối với các ăngten siêu cao tần (khi đó người ta không sử dụng khái niệm dòng ở lối vào) thì đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của hệ số sóng chạy hoặc hệ số sóng đứng vào tần số Hoặc là sự phụ thuộc của đặc trưng hướng hay hệ số tác dụng định hướng vào tần số

Yêu cầu về độ rộng dải thông tuỳ thuộc vào điều kiện sử dụng ăngten Nếu độ rộng dải thông không quá vài phần trăm tần số trung bình thì ăngten được gọi là dải thông hẹp, còn độ rộng dải thông bằng vài chục phần trăm hoặc lớn hơn thì gọi là dải thông rộng

PHẦN II TỔNG QUAN VỀ ĂNGTEN MẠCH DẢI 2.1 Giới thiệu chung

Ăngten mạch dải được quan tâm đáng kể nhất bắt đầu vào năm 1970, mặc dù ý tưởng của ăngten mạch dải được phác hoạ từ năm 1953 và nhận bằng phát minh vào năm 1955 Ưu điểm lớn nhất của ăngten mạch dải là trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và dễ chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ mạch in Trong những năm gần đây ăngten mạch dải đã được nghiên cứu khá nhiều, cả về lý thuyết và kĩ thuật và đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về mặt công nghệ và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn Nó là loại ăngten có nhiều tiện lợi và hiệu quả

Cấu tạo chung: Mỗi phần từ ăngten mạch dải gồm các phần chính là:

- Phiến kim loại (tấm patch)

L_chiều dài tấm patch

h_độ dày của lớp đế điện môi

Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế ăngten mạch dải còn có tên gọi là ăngten mạch in Màn chắn kim loại có tác dụng như mặt đất, phiến kim loại

có chức năng phát xạ

Các thông số cấu trúc cơ bản của một ăngten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W của tấm patch, độ dày h và hằng số điện môi εr của lớp đế điện môi Phần tử ăngten mạch dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền mạch dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại) hoặc dựng cỏp đồng trục, có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn Tuỳ thuộc vào hình dạng phiến kim loại và các thông số hình học,

ta cú cỏc loại ăngten khác nhau Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng nhất với hoạt động của ăngten Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, dải tần và hiệu suất của ăngten Phiến kim loại phát xạ có thể là hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác hoặc bất cứ hình dạng nào Hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, tam giác, elip,…được sử dụng phổ biến nhất bởi chỳng cú sự phát xạ phân cực chéo thấp

Hoạt động của ăngten mạch dải:

Khi tấm patch được kích thích bởi đường cấp, điện tích được phân bố ở mặt dưới tấm patch và mặt phẳng đất Lập tức, lực hút bên dưới tấm patch và mặt phẳng đất sẽ tích lũy một lượng lớn điện tích Và cũng đẩy các điện tích

ra mép tạo nên mật độ lớn điện tích ở mép Đây là nguồn gốc tạo nên điện trường rìa Sự bức xạ từ mạch dải có thể xuất hiện từ trường rìa giữa chu vi của pacth và mặt phẳng đất

Giả sử không có sự biến thiên của điện trường dọc theo chiều rộng và độ dày của cấu trúc mạch dải, điện trường được kích thích bởi tấm patch được chỉ ra như hình dưới:

Hình 2.2 Cơ cấu phát xạ của mạch dải

Hình 2.3 Phân bố điện trường của ăngten mạch dải

Sự bức xạ gần như tạo bởi trường ở rìa Trường ở rìa có thể phân tích thành các thành phần vuông góc và tiếp tuyến với mặt phẳng đất Các thành phần vuông góc lệch pha nhau 1800 do chiều dài patch là λ/2 Do đó trường bức xạ ở vùng xa giảm do chúng triệt tiêu nhau ở một bên Các thành phần vuông góc (song song với mặt phẳng đất) cùng pha Trường bức xạ tổng hợp vuông góc với patch Do đó patch có thể được thay thế bởi 2 khe bức xạ cách nhau λ/2, được kích thích đồng pha và bức xạ trong một nửa không gian phía trên mặt phẳng đất

2.2 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của Ăngten mạch dải

Ăngten mạch dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chỳng cú những ưu và nhược điểm chính sau:

 Ưu điểm:

 Trọng lượng nhẹ, thể tích nhỏ và bề mặt nghiêng mỏng Ăngten

mạch dải nhỏ về kích thước nờn chỳng dễ kết hợp thành khối, di

đó ăngten có khả năng phát xạ với hiệu suất cao

 Giá thành sản xuất thấp do đó có thể sản xuất chế tạo với số lượng lớn

 Chúng có thể kết hợp lại với nhau để tạo thành mạch tích hợp (MICs)

 Ăngten mạch dải thay đổi chiều linh hoạt, chúng có thể thiết kế chế tạo đa dạng rộng khắp về các mẫu và sự phân cực, tuỳ thuộc vào cách thức bị tác động và hình dạng đặc thù của tấm patch sử dụng

 Đường cấp và hệ thống được cấp dọc theo cấu trúc ăngten Độ chính xác cao của quá trình chế tạo có thể đảm bảo tính đồng dạng của các phần khác nhau trong quá trình sản xuất

 Lý do chính cho việc sử dụng ăngten mạch dải là khả năng tạo ra cấu trúc mảng ăngten, cùng mạng cấp và sự phát xạ trên bề mặt tấm patch đơn

 Nhược điểm:

 Ăngten mạch dải có dải thông hẹp Thông thường với chất nền

có bề dày nhỏ hơn 0.02 bước sóng, ăngten có dải thông nhỏ hơn 5% Tuy nhiên, với các tiến bộ về kĩ thuật, ăngten có dải thông lên đến 50% là có thể đạt được

 Ăngten mạch dải đơn có độ dự trữ công suất thấp do khoảng cách giữa tấm patch phát xạ và đế kim loại nhỏ Để tăng công suất ta dùng mảng ăngten

 Ăngten mạch dải có trở tổn hao lớn hơn so với các ăngten mặt có kích thước tương đương Trở tổn hao này chủ yếu là do điện môi của chất nền, điện dẫn của tấm patch và đường truyền mạch dải,

suy giảm trong bộ chia công suất.

Tuy nhiên ta có thể tìm thấy một vài giải pháp cho việc giải quyết các khó khăn trên bằng việc sử dụng hợp lý trong thiết kế Tăng độ dày của chất điện môi sẽ giảm hệ số phẩm chất Q của thành phần tấm patch và do đó làm tăng dải thông và hiệu suất Tuy nhiên chỳng cú giới hạn, chiều cao càng lớn làm sóng bề mặt tăng lên ảnh hưởng đến bức xạ định hướng

Ăngten mạch dải có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực như dân sự, quân

sự bất chấp những khó khăn và thuận lợi của nó Trong dải ứng dụng hẹp của ăngten, bản thân nó có thể hoạt động như một bộ lọc cho thành phần tần số không mong muốn Như thế trong dải thông hẹp lại là điểm thuận lợi

 Ứng dụng của ăngten mạch dải

Ban đầu ăngten mạch dải được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống quân sự như tên lửa, máy bay và các vệ tinh Gần đây, các ăngten này được sử dụng ngày càng tăng trong các lĩnh vực thương mại do giá thành giảm của vật liệu nền và kĩ thuật chế tạo ở mức tinh xảo, hoàn thiện Với việc tiếp tục nghiên cứu phát triển và sử dụng ngày càng tăng, ăngten mạch dải đang được trông đợi để thay thế các ăngten thông thường cho hầu hết các ứng dụng

Một số hệ thống điển hình ứng dụng ăngten mạch dải đã được phát triển:

 Thông tin vệ tinh

 Thông tin di động

 Rada dopler và rada đo độ cao

 Hệ thống lệnh và điều khiển

 Các tên lửa, máy bay và đo lường từ xa

 Sự cảm biến từ xa và thiết bj đo đạc môi trường

 Mạng nội bộ không dây

 Các ăngten tích hợp

 Bức xạ y sinh và báo động

2.3 Các phương pháp cấp nguồn cho ăngten mạch dải

2.3.1 Cấp nguồn bằng cáp đồng trục

Ăngten mạch dải có thể được cấp nguồn bằng cáp đồng trục 50Ω từ phía sau của màn chắn kim loại, ở đó vỏ của cáp đồng trục được gắn với màn chắn kim loại, còn đầu thăm xuyên qua lớp đế điện môi gắn với phiến kim loại Vị trí của cáp sẽ ở điểm 50Ω của ăngten để đảm bảo phối hợp trở kháng

2.3.2 Cáp đồng trục với điện dung

Đối với các ứng dụng có băng thông rộng hơn, cần sử dụng lớp đế điện môi dày hơn Nếu tiếp điện bằng cáp đồng trục thông thường thì sẽ có một điện cảm lớn hơn và kết quả làm mất phối hợp trở kháng Mặt khác, điện trường bị giới hạn trong khoảng hình trụ nhỏ của cáp đồng trục không thể đột ngột chuyển thành khoản lớn của phiến kim loại Để bù lại điện cảm của điểm cấp điện, người ta sử dụng đĩa dung kháng như dưới hình 2.5 Ở đó phiến kim loại không nối trực tiếp với cáp đồng trục

Hình 2.4 Cấp nguồn bằng cáp đồng trục