nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật với kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy lobe có thể được phânthành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và th

Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin cảm ơn các thày cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận t ình truyền đạt kiếnthức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện để em có thể thựchiện khóa luận này

Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị Tú Quỳnh,nhữngngười đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận

Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trong những lúcgặp khó khăn khi thực hiện khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn tất cả

Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010

Sinh viên

Phạm Phú Hưng

Trang 3

Khỏa Luân Tốt Nghiẽp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó cácthiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn Đe thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị diđộng, anten gắn trên các thiết bị đàu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước Các anten phang, chẳnghạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫnnhư kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đàu cuối, sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ởtrên Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm củacác nhà nghiên cứu anten

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phang mới được thiết kế thỏa mãn các yêu càu vềbăng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System forMobile communication, 890 - 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 - 1880 MHz),PCS (Personal Communication System, 1850 - 1990 MHz) và UMTS (Universal MobileTelecommunication System, 1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tàiliệu liên quan

Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thốngmạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tàn 2.4 GHz (2400 -

2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 - 5350 MHz).Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp nên việc mở rộngbăng thông thường là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay Do đó,việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực

tế của anten vi dải

Khóa luận tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật với kỹ thuậttiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR nhằm làm rõ những đặc trưng cơ bản như đặc tính bứcxạ,băng thông trở kháng của anten vi dải

Khóa luận gồm 3 chương :

> Chương 1 : Lỷ thuyết về anten và anten vi dải.

> Chương 2 : Giới thiệu phần mềmAWR.

> Chương 3 : Thiết kể,mô phỏng anten vì dải bằngAWR.

Phần đầu trong chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten cùng với các tham số cơ bản của nó nhưgiản đồ bức xạ,hệ số định hướng,hệ số tăng ích Phàn tiếp theo trinh bày sơ lược về lý thuyết anten

vi dải,ưu và nhược điểm các loại anten vi dải và các kỹ thuật tiếp điện thường gặp cho chúng

Trang 4

Khỏa Luân Tốt Nghiẽp _Khoa : Điên Tử - Viễn Thông

Chương 2 trình bày một cách tổng quát về cách tổng quan về phàn mềm thiết kế AWR,SƠ lược cách sử dụng phàn mềm

Chương 3 đi vào tính toán,thiết kế các tham số cần thiết cho một anten patch vi dải tuyến tính ghép khe hở và tiến hành mô phỏng nó trên phàn mềm AWR.Cuối chương 3 là phần kết luận và đặt

ra những hướng phát triển tiếp theo nhằm giúp đề tài hoàn thiện hơn

DANH MỤC HÌNH VẺ.

Hình 1 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ

Hình 1 2 Các trường bức xạ ở khu xa

Hình 1 3 Hệ tọa độ phân tích của anten

Hình 1 4 Bức xạ không hướng tính

Hình 1 5 Bức xạ hướng tính

Hình 1 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều

Hình 1 7 Các búp sóng trong mặt phang 2 chiều

Hình 1 8 Phân cực của anten

Hình 1 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải

Hình 1.10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải Hình 1.11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100

Hình 1.12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100

Hình 1.13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương

Hình 1.14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng

Hình 1.15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải

Hình 1.16 Anten vi dải lưỡng cực

Hình 1.17 Anten vi dải khe mạch in

Hình 1.18 Anten sóng chạy

Hình 1.19 Cấu trúc đường truyền vi dải

Hình 1 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Hình 1 21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục

Hình 1 22 Kỹ thuật ghép gần

Hình 1 23 Kỹ thuật ghép khe hở

Hình 1 24 Cấu trúc song song

Hình 1 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch

Hình 1 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều

Hình 1 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp

Hình 1 28 Mảng cộng hưởng

Hình 1 29 Mảng sóng chạy

Hình 1 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy

Hình 2 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR

Hình 2 2 Môi trường thiết kế AWR

Hình 2 3 Schematic và Netlist

Sinh viên : Phạm Phú Hưng 31 1

1

34 34 1 37 39 E9

Trang 5

Hình 2 4 Sơ đồ hệ thống 40

Hình 2 5 Cấu trúc EM T 40

Hình 2 6 Các thao tác trên cấu trúc EM 41

Hình 2 7 Layout Error! Bookmark not deũned Hình 2 8 Layout Manager 43

Hình 2 9 Truy xuât các tế bào layout trong Cell Libraries 44

Hình 2 10 Thiết lập tàn số cho hệ thống vss Error! Bookmark not defíned Hình 2 11 Hộp thoại Enclosure Error! Bookmark not defined Hình 2 12 Định nghĩa một chất điện môi Error! Bookmark not deSned Hình 2 13 Thiết lập thông số cho các lớp chất nền 49

Hình 2 14 Thiết kế vật dẫn cho cấu trúc 1

Hình 3 1 Ảnh hưởng của độ dày và hằng số điện môi của chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất của anten (với VSWR<2) 1

Hình 3 2 Anten patch hình chữ nhật 1

Hình 3 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn 1

Hình 3 4 Anten vi dải ghép khe hở 59

Hình 3 5 Thiết lập dãy tàn số hoạt động cho anten 1

Hình 3 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu 70

Hình 3 7 Tạo lớp cho anten 70

Hình 3 8 Tạo vật dẫn cho anten 71

Hình 3 9 Tạo mặt phẳng đất 72

Hình 3.10 Định vị trí cho mặt phẳng đất 72

Hình 3.11 Thiết kế patch 73

Hình 3 12 Xác định vị trí cho patch 73

Hình 3.13 Đường truyền vi dải 74

Hình 3 14 Định vị trí cho đường nối vi dải 74

Hình 3.15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR 75

Hình 3 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải 75

Hình 3 17 Đáp ứng tàn số của thông số SI 1 76

Hình 3.18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều 77

Hình 3.19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống 77

Sinh viên : Phạm Phú Hưng

Trang 7

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ỉ

LỜI MỞ ĐẦU ỉỉ

DANH MỤC HÌNH VẺ iv

MỤC LỤC 1

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG VÈ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 4

1 Lý thuyết chung về anten 4

1.1 Giới thiệu anten 4

1.2 Các tham số cơ bản của anten 5

1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bỏi một anten 5

1.2.2 Giản đồ bức xạ 6

1.2.3 Mật độ công suất bức xạ 9

1.2.4 Cường độ công suất bức xạ 10

1.2.5 Hệ số định hướng 11

1.2.6 Hệ số tăng ích 11

1.2.7 Phân cực 12

1.2.8 Băng thông 14

1.2.9 Trở kháng vào 15

2 Lý thuyết chung về anten vi dải 15

2.1 Giới thiệu 15

2.1.1 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải 16

2.1.2 Cơ chế bức xạ 17

2.2 Các loại anten vi dải thông dụng 20

2.2.1 Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) 20

2.2.2 Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dỉpole Antenna) 21

2.2.3 Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna) 21

2.2.4 Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna) 23

2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 24

2.3.1 Đường truyền vi dải (Microstrip Feed) 24

Trang 8

2.3.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxỉal Feed) 26

2.3.3 Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed) 27

2.3.4 Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed) 27

2.4 Mảng anten vi dải 29

2.4.1 Giới thiệu 29

2.4.2 Đường dẫn song song 30

Chương 2 TÌM HIỂU PHẦN MÈM AWR 35

1 Giới thiệu phần mềm AWR 35

2 Môi trường thiết kế AWR 36

2.1 Các thành phần cơ bản của AWR 36

2.2 Các thao tác cơ bản trên AWR 38

2.2.1 Schematỉc và Netlist trong MWO/AO 38

2.2.2 Sơ đồ hệ thống trong vss 39

2.2.3 Cấu trúc EM 39

2.2.4 Tạo layout với MWO và AO 41

2.2.5 Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra 44

2.2.6 Biểu diễn mô phỏng 45

Chương 3 THIẾT KÉ ANTEN VI DẢI 51

1 Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế 51

1.1 Chất nền 51

1.2 Hình dạng patch 52

1.3 Kỹ thuật tiếp điện 53

2 Thiết kế,tính toán thông số 54

2.1 Patch 55

2.1.1 Chất nền 55

2.1.2 Tần số thiết kế 55

2.1.3 Mode cơ bản 55

2.1.4 Tỉ số kích thước 56

2.1.5 Chiều dài patch 56

Trang 9

2.1.6 Chiều rộng patch 57

2.1.7 Băng thông của patch 57

2.1.8 Vị trí đặt patch 58

2.2 Mặt phẳng đất 58

2.3 Đường nối vi dải 59

2.3.1 Chất nền 60

2.3.2 Sóng trong đường truyền vi dải 60

2.3.3 Độ rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải 61

2.3.4 Giá trị quasỉ-statỉc của trở kháng đặc trưng 61

2.3.5 Độ phân tán trong đường truyền vi dải 61

2.3.6 Độ rộng đường truyền vi dải 64

2.4 Khe hở và nhánh cụt 65

2.4.1 Vị trí đặt khe hở 65

2.4.2 Độ dài khe hở 65

2.4.3 Độ rộng khe hở 65

2.4.4 Chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt 65

2.4.5 Chiều dài nhánh cụt 66

3 Thiết kế,mô phỏng bằng AWR 67

3.1 Mô phỏng trên AWR 68

3.1.1 Thiết lập thông số cho anten 68

3.1.2 Thiết kế anten trên AWR 71

3.2 Kết quả mô phỏng 76

4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG VÈ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI

1 Lý thuyết chung về anten.

1.1 Giới thiệu anten.

Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín hiệu RF (Radio Frequency : tàn số vô tuyến) và sự bức xạ,lan truyền của sóng điện từ trong không gian

Hình 1 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ

Thông thường,giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ,gọi là fide (như hình 1.1).Trong hệ thống này,máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tàn Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc này

Trang 11

thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóngđiện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do an ten pháttruyền đi,phàn còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian)và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồitruyền đến máy thu Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten-flde là phải thực hiện việc truyền dẫn và biếnđổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu

1.2 Các tham số Ctf bản của anten.

1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten.

Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian,bắt nguồn từ lýthuyết về tính cảm ứng của trường điện từ Trước hết,trường từ biến thiên sinh ra trường điện biếnthiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường

từ biến thiên Quá trinh này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phànphụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H).Hai trường này vuông góc với nhau và vuông gócvới hướng truyền của sóng điện từ trong không gian

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten,nó sẽ hình thành hai trưòmg.Một trường là trườngcảm ứng (trường khu gàn),trường này bị ràng buộc với anten,có cường độ lớn và tuyến tính với nănglượng được gởi đến anten Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phàn là điệntrường và từ trường (hình 1.2).Tại khu xa,chỉ có bức xạ được duy trì

TRAHSMtTTIN G

ANTENNA

RECEIVIN G

ANTEMNA

MAGNETIG PIELỮ

Hình 1 2 Các trường bức xạ ở khu xa

Trang 12

Hai thành phàn điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trường điện từ.Trườngđiện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ

di chuyển.Trường khu xa là một sóng phẳng;khi sóng truyền đi,năng lượng mà nó mang theo tài trênmột diện tích tăng dần theo khoảng cách.Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trướcgiảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng

1.2.2 Giản đồ bức xạ.

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định

và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặc tính bức xạ và đặctính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không gian.Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công suất bứcxạ,cường độ bức xạ,hệ số định hướng

Hình 1 3 Hệ tọa độ phân tích của anten

Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều

do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đàu vào thành công suấtbức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường được dùng như là một antentham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế

Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhấtđịnh và mạnh hơn các hướng còn lại

2

Hình 1 4 Bức xạ đẳng hướng

Trang 14

Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính của anten.Mặtphang E được định nghĩa là mặt phang chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phang

H được định nghĩa là mặt phang chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế tathường chọn hướng của anten sao cho mặt phang E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ(mặt phẳng x,y hoặc z) như hình 1.5

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phânthành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực 3Dđối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùykhác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D)

Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại,trong hình 1.6 thùy chính có hướng 0 = O.Trênthực tế,có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính.Thùy phụ là bất kỳ thùy nào ngoài thùy chính.Thôngthường,thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính và định xứ ở bán càu theo hướng của thùy

chính.Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 130° so với thùy chính và thường định xứ ởbán càu ngược với thùy chính

z

i

Hist Iiull beamwirith

Hình 1 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều

Trang 15

Radiation intensity

Half power beamvũrith (HPBVVl Fiisr Iiull beamwidth iFÍIBW|

Hình 1 7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều

1.2.3 Mật độ công suất bức xạ.

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫnsóng.Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tứcthời:

w = vector Poying tức thời (W/m* )

E = cường độ điện trường tức thời (V/m)

H = cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thành phàn pháptuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín

p = tổng công suất tức thời (W)

= vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt da = vi

phân diện tích của bề mặt (m*)

Khi trường biến đổi theo thời gian,ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy tíchphân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ.Khi trường biến đổi tuần hoàntheo thời gian có dạng 'r ,ta định nghĩa được thành phần E và

Thành phàn đàu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phàn thứ hai biến đổi theothời gian với tần số bằng 2 lần tần số ÙJ cho trước Vector Poying trung bình theo thời gian (mật độcông suất trung bình ) có thể được viết lại :

Dựa trên (1.6),công suất phát xạ trung bình của anten có thể được định nghĩa là :

1.2.4 Cường độ công suất bức xạ.

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bức xạ từ antentrên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và được xác định bằng cách nhânmật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách :

E (x,y,z)= Re [E(x,y,z) e*-] 4 Re [E + FỆe-iBt ] (1.3)

(1.7)

Trong đó u là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

Trang 17

W 7 rađ là mật độ công suất bức xạ (W/™3)

Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ :

P raế - j^UdJl - Ị Ị siaỡ dipdd

(1.9)

dlì — sin ớ dípdd là đơn vị góc khối (steradian)

1.2.5 Hệ số định hướng.

Hệ số định hướng (D) của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ của aten theo một hướng cho trước

so với cường bức xạ trung bình theo tất cả các hướng.Neu hướng không được xác định thì hướng củacường độ bức xạ cực đại được chọn

Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ củaanten theo hướng cho trước ) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng

với í 01 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính

Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên)

u là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối), ĩín là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng Pr-ad là

Trang 18

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G).Hệ số tăng ích

có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc tínhhướng tính của nó.Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng và khoảngcách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) theohướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn cóhiệu suất bằng 1

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác dụngcủa tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sựphân cực).Trong thực tế,tham số này đã đưa ra tham số hiệu suất của anten , V , cho biết hiệu suấtcủa quá trình biến đổi công suất đàu vào thành công suất bức xạ như thế nào

Mệt đố Còng suit theo hướng í&,(pì

Hình 1 8 Phân cực của anten

Trang 19

a.Phân cực thẳng ; b Phân cực tròn ; c Phân cực ellipĐầu mút của vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ gọi là phân cực phải(clockvvise_CW) và quay ngược chiều kim đồng hồ gọi là phân cực trái (counterclockwise CCW)

Trường của sóng phang khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểu diễn nhưsau :

Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phàn tức thời và thành phàn phức :

+ Ễ + 2ĩijĩT với n — 0,1,2 ^đối vói cwj

^ + 2tiỊtỉ: vởi n — 0,1,2 ^đốỉ với ccw^ ^ 2Yị

Trang 20

Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phàn trăm của sự sai khác giữa hai tàn

số (tàn số trên và tàn số dưới ) so với tàn số trung tâm

Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực của

anten không biến đổi giống nhau theo tàn số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau.Tùy cácứng dụng cụ thể,yêu càu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp

Trang 21

1.2.9 Trở kháng vào.

Trở kháng vào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nóhay tỉ số điện áp trên dòng điên hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tương ứng tại cùng mộtđiểm.ở đây,ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đàu vào của anten.TỈ số điện áp trên dòng điện ,trongtrường hợp không có tải,xác định trở kháng của anten :

R 7- là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (O)

R ỉ là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (O)

Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần só.Do đó anten chỉ phối họrp tốt vớiđường tiếp điện ở trong cùng một dải tàn nào đó.Hơn nữa,trở kháng vào của anten còn phụ thuộc vàonhiều yếu tố kháng như : hình dạng anten,kỹ thuật tiếp điện, các yếu tố xung quanh Do sự phức tạpcủa nó,chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu,phân tích tỉ mỉ.Với các loại antenkhác ,trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm

2 Lý thuyết chung về anten vỉ dải.

2.1 Gỉớỉ thiệu.

Sinh viên : Phạm Phú

%A = RA + %A Với Zđ là trở

kháng đàu vào của anten )

R A là điện trở của anten tại các đàu vào (-0 )

%A là kháng trở đàu vào của anten )Nói chung thành phàn điện trở trên bao gồm 2 thành phàn : R A = R r

+RJ

(1.28)(1.26)

yếu tố kỹ thuật được đáp ứng đày đủ (chất nền tốt,các mô hình lý thuyết đày đủ hơn, ),thì anten vidải mới được phát triển mạnh mẽ với các ưu điểm nổi bật như khối lượng nhẹ,thể tích nhỏ,giá thànhthấp,cấu trúc đơn giản,thích hợp với các mạch tích hợp

nhất của một anten vi dải bao gồm một patch bức xạ nằm trên một nền điện môi

(e,, < lũ ) và một mặt phang đất (ground plane) nằm ở mặt còn lại của chất nền.Chất dẫn

patch,thường bằng đồng hoăc vàng,có nhiều hình dạng khác nhau nhưng các dạng thông

thường nói chung là thường được sử dụng để dễ phân tích cũng như tính toán hiệu suất

Hằng số điện môi (t"> ) của chất nền đóng vai trong quan trong nhất đối với hoạt động

của anten vi dải.Nó ảnh hưởng đến đăc tính trở kháng,tàn số cộng hưởng,băng thông,hiệu

suất của anten.Trong điều kiện lý tưởng,hằng số điện môi nên có giá trị thấp (e„ ^ 2.5 )

để mở rộng vùng viền (fringing fĩeld) vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạ

của anten vi dải.Tuy nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sử

dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn (£r ^ 10 )

2.1.1 Ưu điểm và hạn chế của anten vỉ dải.

Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thường

khác và các ứng dụng của nó trải khắp dải tàn số băng rộng 100 MHz-100GHz.Một số ưu

điểm nổi bật của anten vi dải là :

> Trọng lượng nhẹ,thể tích nhỏ,cấu trúc phang và mỏng nên dễ chế tạo

> Giá thành sản xuất thấp,thích hợp với sản xuất số lượng lớn

Hình 1 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải

Trang 23

> Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ tiếp điện thuật đơn giản

> Dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp microwave

> Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thời trên cùng một cấu trúc anten

Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các anten microwavethông thường:

> Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%)

> Độ lợi thấp ( - 6 dB )

> Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten

> Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian

> Muốn các mảng anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điện phức tạp

> Xuất hiện bức xạ nhiễu từ đường tiếp điện và mối nối

> Xuất hiện sóng mặt

> Khả năng điều khiển công suất thấp (™10DW )

> Giới hạn hệ số tăng ích cực đại (V,:2G ứB y

Có nhiều phương pháp để tối thiểu hóa các hạn chế của aten vi dải Ví dụ như ta có thể tăng băng thông lên 60% bằng các kỹ thuật đặc biệt; các hạn chế về độ lợi và công suất có thể được khắc phụckhi dùng các cấu trúc mảng anten

2.1.2 Cơ chế bức xạ.

Bức xạ của anten vi dải có thể được xác định bởi phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất.Nóicách khác bức xạ của anten vi dải có thể được biểu diễn bởi phân bố dòng bề mặt của patch.Việc tínhtoán một cách chính xác phân bố dòng hay trường của patch

Trang 24

rất phức tạp nên ta có thể sử dụng các tham số đơn giản và các thuật toán xấp xỉ để khái quát mô hìnhlàm việc cua anten vi dải

Hình 1 10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải

Giả sử anten patch vi dải được nói với một nguồn microwave.Năng lượng trên patch sẽ tạo nêncác điện tích phân bố ở mặt trên và dưới của patch.Quá trình tương tự xảy ra ở mặt phẳng đất (hình1.10).Anten patch có độ dài khoảng nửa bước sóng nên các phân bố điện tích được hình thành nhưhình 1.10 Phân bố điện tích này được kiểm soát bởi hai cơ chế tương tác giữa các điện tích :

> Lực đẩy giữa các điện tích giống nhau ở đáy patch có xu hướng làm đẩy các điện tích ở đáy và cạnh lên bề mặt trên của patch

> Lực hút giữa các điện tích trái dấu ở đáy của patch và mặt phang đất,lực hút này giữ các điện tích tập trung ở đáy của patch

Sự di chuyển của các điện tích dưới sự tương tác của các lực trên tạo nên các dòng

chảy trên bề mặt và đáy của patch (ỉh :/r) Đa số các anten vi dải có h/w rất nhỏ nên lực hút giữa cácđiện tích trái đấu chiếm ưu thế và hàu hết các điện tích tập trung dưới đáy patch.Chỉ một lượng nhỏđiện tích từ các cạnh lên trên bề mặt patch nên dòng do nó tạo ra rất nhỏ.Do đó thành phàn tiếp tuyến

từ trường được tạo ra cũng rất nhỏ,ta có thể xấp xỉ nó bằng O.Hơn nữa độ dày h của chất nền thường

là rất nhỏ so với bước sóng nên trường biến đổi dọc theo h có thể xem là không đổi và điện trường thìgàn như trực giao với bề mặt patch.Như vậy patch có thể được mô hình hóa như là một hốc cộnghưởng với tường điện ở bề mặt và đáy cùng với bốn tường từ ở xung quanh bốn cạnh của patch.Bốnmép của hốc cộng hưởng sẽ biểu diễn bốn khe hẹp,ở đó quá trình bức xạ sẽ diễn ra

Trang 25

Hình 1.11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100

y

b)

Hình 1 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 a.Phân bố từ ở khe phát xạ ; b Phân bố từ ở khe không phát xạ

Như ta thấy ở hình 1.12, bức xạ của hai khe nằm dọc theo trục X (dọc theo L) bằng không do hai phân

bố dòng cùng độ lớn và ngược nhiều nhau Ở hai khe dọc theo trục y

(dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bức

xạ.Như vậy bức xạ của patch có thể được biểu diễn bằng 2 khe dọc như hình 1.13

Slots

2.2 Các loại anten vỉ dẳỉ thông dụng.

Anten vi dải được đăc trưng bởi nhiều tham số vật lý Chúng có thể được thiết kế với nhiều hìnhdạng và hướng khác nhau Một cách tổng quát ta có thể chia anten vi dải ra làm bốn loại cơ bản :anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy

2.2.1 Anten patch vỉ dải (Microstrip Patch Antenna)

Một anten patch vi dải,có dạng hình học phang hoặc không phang,nằm trên một mặt của chất nền,mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức

xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến được mô tả ở hình 1.14, chúng có đặc tính bức xạ gàngiống nhau mặc dù hình dạng khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình tròn được

sử dụng nhiều nhất Thông thường chúng có độ lợi từ 5 - 6 dB và có độ rông búp sóng “ - 3dB ở 90°

70“-Hình 1 13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương

Trang 27

Hình 1 14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng

Ngoài ra,còn có những anten patch vi dải dùng cho các ứng dụng đặc biệt như trong hình 1.15

p&niagữn Hexagona I wtlì Eccerttic

InrverCircte Cireuiar Ring

Hình 1.15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải

2.2.2 Anten vỉ dải lưỡng cực (Mỉcrostrop Dỉpole Antenna)

về mặt hình học, anten vi dải lưỡng cực chỉ khác anten patch hình chữ nhật ở tỉ lệ của chiểu rộng

và chiều dài (hình 1.16).Chiều rộng của một anten lưỡng cực thường nhỏ hơn

0. 05'ÌD Thành phàn bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch cũng tương tự nhau dochúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc.Tuy nhiên điện trở bức xạ và băng thông của chúng lại rấtkhác nhau.Vi dải lưỡng cực không những có nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ, phân cựctuyến tính mà nó còn là lựa chọn thích hợp với yêu cầu hoạt động ở tàn số cao,khi độ dày của chấtnền lớn

2.2.3 Anten khe mạch ỉn (Printed Slot Antenna).

Anten khe mạch in có một khe trên mặt phẳng đất.Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng trên thực tế, chỉ một số loại khe được sử dụng như hình 1.17

Giống như anten patch vi dải,anten khe có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải hay sóng dẫn phẳng Anten khe có thể bức xạ ở cả 2 chiều của khe

Hình 1 16 Anten vi dải lưỡng cực

Rectangưlsr Slot wilh Micíùítrip Feed Rectongựlar Slot wĩth CPW Ffre<J

AriniiSar Síot wĩtỉi Mícmslrip Feed

Trang 29

Hình 1 17 Anten vi dải khe mạch in

2.2.4 Anten sóng chạy vỉ dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna).

Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường truyền vi dải đủ dài để

hỗ trợ TM mode (hình 1.18).Đầu cuối của anten sóng chạy được phối ghép với một mạch phối hợptrở kháng để tránh hiện tượng sóng phản xạ trong đường truyền

Trang 30

in

hoặc tròn

Hình chữ nhật và tam giác

Bảng 1.1 Bảng so sánh các đặc trưng của các loại anten

2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải.

Có nhiều kỹ thuật được phát triển để tiếp điện cho anten vi dải, nổi bật như các kỹ thuật dùngđường vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial feed), ghép gàn (promixity coupled) và ghépkhe hở (aperture coupled).Việc lựa chọn kỹ thuật tiếp điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố vấn đềđược quan tâm nhiều nhất khi tiếp điện là hiệu suất chuyển đồi công suất giữa cấu trúc phát xạ vàđường truyền, sự phối hợp trở kháng giữa chúng, trở kháng của các thành phàn gây ra hiện tượngsóng mặt và bức xạ nhiễu như các mối nối,chốt chuyển tiếp Các bức xạ không mong muốn có thể sẽlàm tăng mức thùy phụ và biên độ phân cực chéo trong thành phàn bức xạ.Vì vậy,cần tính toán kỹ thuật tiếp điện sao cho tối thiểu hóa các bức xạ nhiễu và ảnh hưởng của nó

2.3.1 Đường truyền vi dải (Microstrip Feed).

Cấu trúc trường của đường truyền vi dải.

Sóng truyền trên đường vi dải là sóng có gàn với dạng sóng TEM (quasi-TEM).Điều này có nghĩa

là trên đường truyền vi dải có vài vùng trong đó chỉ có thành phần điện trường hoặc từ trường theohướng truyền sóng.Hình 1.19 thể hiện giản đồ điện từ trường của một đường truyền vi giải cơ bản.Trên cấu trúc đường truyền vi giải,giản đồ quasi-TEM xuất hiện.Bởi vì bề mặt tiếp giáp giữa chấtnền điện môi và không gian xung quanh là không khí nên các đường sức điện từ không liên tục tạimặt tiếp giáp này Một phần năng lượng của điện trường được lưu trữ trong không khí và một phầnđược lưu trữ trong chất nền điện môi

Hằng số điện môi hiệu dụng đối với đường truyền có giá trị nằm ở khoảng giữa hằng số điện môicủa không khí và hằng số điện môi của chất nền

Macjnetic Íielíl

Electric fieí<l

Hình 1 19 Cấu trúc đường truyền vi dải

Tiếp điện bằng đường truyền vỉ dải

Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì có thể xem patch làphàn mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo cả hai đồng thời.Việc ghép nối đườngtruyền vi dải với patch có thể thực hiện như ở hình 1.20a hoặc 1.20b.

Trang 32

Hình 1.20b biểu diễn một phương pháp ghép nối tiến bộ hơn, trong đó được truyền vi dải đượcđặt vào trong patch một đoạn l.Tham số 1 được lựa chọn sao cho trở kháng vào của anten là 50Í1Tiếp điện bằng đường nối vi dải rất dễ thiết kế và chế tạo nhưng lại gây ra bức xạ nhiễu lớn và lànguyên nhân tạo ra phân cực chéo Vì vậy,kỹ thuật này thường được sử dụng trong các ứng dụngkhông yêu cầu hiệu suất cao và càn có đường tiếp điện phang Băng thông đạt được khoảng 3-5%

2.3.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxỉal Feed).

Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất để truyền công suấtmicrowave.Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối với anten vi dải qua khe hở ở mặtphẳng đất.Một anten thường sử dụng cáp đồng trục loại N như hình 1.21.Cáp đồng trục được ghépvào mặt sau của mạch in,sau đó lõi của nó sẽ đi qua chất nền và được tiếp nối với patch.VỊ trí tiếp nối

sẽ được tính toán,lựa chọn để có được phối hợp trở kháng tốt nhất

Hình 1.21 Tiếp diện bằng cáp đồng trụcCũng giống như tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục có ưu điểm là

dễ thiết kế và chế tạo.Hơn nữa,thông qua việc xác định tiếp điểm ta có thể kiểm soát được mức trởkháng vào,tạo thuận lợi cho việc phối hợp trở kháng.Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có một số hạn chếnhất định :

> Trong ứng dụng mang anten,tiếp điện bằng cáp đồng trục yêu càu nhiều tiếp điểm.Điềunày làm cho việc chế tạo gặp nhiêu khó khăn và anten có độ bền thấp (do càn nhiều mốikhoan và hàn)

Trang 33

> Đối với những ứng dụng yêu càu băng thông cao, ta phải sử dụng anten có chất nền dày,làm tăng độ dài của cáp đồng trục.Điều này đồng nghĩa với việc làm tăng bức xạnhiễu,công suất sóng mặt và tăng trở kháng trong đường dẫn

2.3.3 Ghép gần (Proxiraity Coupled Mỉcrostrip Feed).

Kỹ thuật này sử dụng 2 lớp chất nền, patch được đặt ở lớp trên và đường truyền đặt ở lớp dưới;lớp dưới cùng là mặt phẳng đất Patch và đường truyền được nối với nhau nhờ tụ tự nhiên.(hình1.22).ƯU điểm của phương pháp này là có thể hạn chế được nhiễu từ đường truyền và cung cấp băngthông rộng hơn (khoảng 13%) bằng cách tăng độ dày chất nền của patch và giảm độ dày chất nền củađường truyền.Ngoài ra,việc patch được đặt trên hai chất nền cũng là một nguyên nhân làm tăng độrộng của băng thông Ta cũng có thể có được sự phối hợp trở kháng khi kiểm soát chiều dài củađường truyền và tỉ lệ chiều rộng/chiều dài (W/L) của patch

Hình 1 22 Kỹ thuật ghép gầnHạn chế lớn nhất của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo vì hai lớp chất nền đòi hỏi phải có độ địnhtuyến chính xác.Mặc khác,vì đường truyền không còn nằm trên mặt hở nữa nên người thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn.

2.3.4 Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed).

Kỹ thuật ghép khe hở gồm hai lớp chất nền được chia tách bởi mặt phẳng đất, patch đặt ở lớp trênđược ghép nối điên từ đường truyền đặt ở lớp dưới qua một khe hở ở mật phẳng đất (hình 1.23).Khe

hở này có thể có nhiều hình dạng,kích thước và được thiết kế sao cho cải thiện được độ rộng củabăng thông cũng như bức xạ của anten

Trang 34

> Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng với bức xạ từ patchngược trở xuống đồng thời phải phù hợp với trở kháng

> Chiều rông khe (Wa) : thông số này ảnh hưởng đến mức độ ghép nói,tuy nhiên ảnhhưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thường bằng 1/10 chiều dài patch.Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tói ưu hóa đường truyền và các hàm bức xạ độc lậpvới nhau.Ví dụ,chất nền của đường truyền phải mỏng và có hằng số điện môi cao trong khi chất nềncủa patch phải dày và có hằng số điện môi thấp.Hơn nữa,nhờ có hiệu ứng màn che của mặt phẳng đất,bức xạ từ đường truyền không thể gây can nhiễu bức xạ của patch, giúp ta dễ có được sự phân cựcthuần

Hình 1 23 Kỹ thuật ghép khe hởHạn chế của kỹ thuật ghép gàn là khó chế tạo liên kết rãnh và các lớp chất nền đều có yêu càuđịnh tuyến phải chính xác

Trang 35

Bức xạ nhiêu từ

đường truyền

khoan và hàn)

Khả năng có phân

cực thuần

Băng thông (sau khi

phối hợp trở kháng)

Bảng 1.2 So sánh các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải

Từ bảng 1.2 ta nhận thấy kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải bằng phương pháp ghép gàn là tốtnhất so với các kỹ thuật còn lại

2.4 Mảng anten vỉ dải.

2.4.1 Giới thiệu.

Trong nhiều ứng dụng, một phàn tử vi dải có thể thỏa mãn được các yêu càu về kỹ thuật, đặc tính.Tuy nhiên,đối với các ứng dụng yêu càu băng thông cao, khả năng điều khiển và quét búp sóng thìchúng ta phải kết hợp các phàn tử bức xạ dưới dạng một mảng anten.Các phần tử trong mảng anten

có thể được phân bố tuyến tính, phang hay hình khối.Mảng anten tuyến tính có các phần tử đặt theomột đường thẳng với khoảng cách xác định.Tương tự, các phàn tử của mảng anten phẳng được phân

bố trong cùng một mặt phang và mảng anten khối có phàn tử phân bố trong không gian ba chiều.Trong thực tế,tùy từng ứng dụng cụ thể mà ta chọn kiểu phân bố cho các phần tử bức xạ một cáchhợp lý

Một cách tổng quát,ta có thể xác định được các đặc trưng của mảng anten khi biết được phân bốkhẩu độ của nó.Vì vậy các phân bố pha và biên độ của tại mỗi phàn tử bức xạ thường được xác địnhtrước và các kỹ thuật tiếp điện cũng càn được tính toán cẩn thận để đạt được phân bố càn thiết

Có hai kỹ thuật tiếp điện cho mảng anten là tiếp điện song song và tiếp điện nối tiếp Đườngtruyền trong kỹ thuật tiếp điện song song có một ngõ vào và nhiều ngõ ra liên tục

Trang 36

với nhau.Các ngõ ra này được ghép nối với từng phàn tử bức xạ.Còn trong kỹ thuật tiếp điện,nănglượng được truyền trên một đường truyền duy nhất.Đường truyền này ghép nối với các phàn tử bứcxạ,được bố trí dọc theo một đường thẳng, bằng các kỹ thuật ghép nối như cáp đồng trục,ghépgàn,ghép khe hở

Nhìn chung, mạch tiếp điện có nhiều hạn chế ảnh hưởng đến hiệu suất, độ lợi của mảng antennhư suy hao điện môi, chất dẫn; suy hao sóng mặt và bức xạ nhiễu từ các điểm không liên tục nhưmối nối, điểm chuyển tiếp

2.4.2 Đường dẫn song song.

Đường dẫn song song một chiều:

Cấu hình cơ bản của đường dẫn song song một chiều với hai cách phân chia công suất được mô

tả ở hình 1.24

M U ụ ụ

a)

Hình 1 24 Cấu trúc song song a.cấu trúc đối xứng b cấu trúc bất đối xứng

Đối với phân bố khẩu độ đều,công suất thường được chia đều đến các mối nối.Tuy nhiên,ta cũng

có thể chọn tỉ lệ chia công suất khác nhau nếu muốn tạo ra phân bố hình chuông trên mảng anten.Neukhoảng cách giữa các phần tử bức xạ được thiết kế giống nhau, vị trí búp sóng sẽ độc lập với tần số

và ta cũng có được đường dẫn băng rộng Ngoài ra,nếu phối hợp với bộ tiền định pha hay mở rộngđường truyền như hình 1.25, hướng của búp sóng sẽ được kiểm soát

Trang 37

ỈL£ ữ & ỉ f & ữ

1——ỈT

Hình 1 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch a)MỞ rộng đường

truyền b)phân bố lệch bộ chia công suất c)Định pha Đường dẫn song song hai chiều:

Đường dẫn song song một chiều có thể được phân bố ở dạng hai chiều như hình 1.26.Trongđó,cấu trúc mảng con cơ bản có thể được mở rộng thành các mảng lớn hơn với 2™ phàn tử bức xạmỗi bên để tạo nên một cấu trúc đối xứng Nếu các phần từ bức xạ lẻ, ta phải dùng bộ chia không đều

để tạo ra phân bố khẩu độ đều

Hình 1 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều

Trang 38

Đường dẫn nối tiếp.

Có hai cách để phân bố các phàn tử bức xạ trong cấu trúc đường dẫn nối tiếp : mảng antenchuyển vị và mảng anten không chuyển vị (hình 1.27)

Đối với mảng không chuyển vị (hình 1.27a),để tạo ra búp sóng thẳng hướng,khoảng cách giữacác phàn tử bức xạ thường là Ả Q Còn mảng chuyển vị,vì các phàn tử bức xạ kế cận nhau lệch pha

l00" (do cấu trúc ghép nối đường dẫn),khoảng cách giữa các phàn tử

là 7 đê tạo ra búp sóng đúng hướng yêu câu Vì vậy mảng chuyên vị có tạo ra búp sóng trên góc quétrộng hơn mà không tạo thùy nhiễu

Theo hình 1.27,ta có thể dễ dàng nhận thấy số phàn tử bức xạ của cấu trúc đường dẫn nối tiếp sẽ

ít hơn cấu trúc song song Hạn chế của cấu trúc này là băng thông hẹp và tồn tại một độ dịch búpsóng do sự dịch pha của patch tạo ra.Tuy nhiên,bằng cách điều chỉnh các tham số của mảng một cách

Mảng anten nối tiếp có phần tử phát xạ cuối cùng được mắc với mạng mạch hở hay nối tắt có độ

hưởng được biểu diễn ở hình 1.28.Khoảng cách giữa các phàn tử

Trang 39

, , _ , , , ,bức xạ có thê là ÍJ hoặc 2 tùy theo cách săp xêp các phân tử (không chuyên vị hay

chuyển vị).Đường dẫn cộng hưởng thường được dùng để tạo ra búp sóng ngang

Hình 1 28 Mảng cộng hưởngTrong thiết kế,tổng dẫn của mảng được thiết kế bằng với tổng dẫn đặc trưng của đường truyền

N

n — B

Với y là chuẩn hóa tổng dẫn vào của mảng, 9«. là chuẩn hóa điện dẫn bức xạ và N là tổng số phàn

tử bức xạ Tổng dẫn vào của mảng bằng tổng các tổng dẫn vào của từng phàn tử Các giá trị điện dẫnliên quan được chọn tự do để có phân bố khẩu độ được yêu

Mảng sóng chạy

Một mảng nối tiếp được gọi là mảng sóng chạy khi phàn tử cuối cùng của đường truyền đượcmắc với một tải phối hợp trở kháng (hình 1.29).Bộ phối hợp trở kháng này có chức năng hấp thunăng lượng còn dư để hệ thống có hiệu suất hoạt động tốt hơn.Tương tự như trường hợp cộnghưởng,các phần tử bức xạ dọc theo đường truyền có

thê được bô trí với khoảng cách A g hoặc 2 ,tương ứng với bô trí không chuyên vị hoặc

chuyển vị,để có búp sóng ngang.Khoảng cách này có thể tạo nên VSWR lớn do ngõ vào

có sự kết hợp giữa các sóng phản xạ đồng pha Đẻ tránh hiện tượng này, các phàn tử

i- 3 _ =

thường cách nhau lệch một khoảng nhỏ so với H hoặc 2

Trang 40

Khóa Luân Tốt Nghiệp Khoa : Điên Tử - Viễn Thông

<a>

(b)

Hình 1 29 Mảng sóng chạyNếu ta bở qua suy hao trên đường truyền,từ mô hình mạch tương đương (hình 1.30) ,ta có thể suy

ra điện dẫn chuẩn hóa của phần tử bức xạ thứ n :

Trong thực tế ,L được chọn trong khoảng 5-10%

Hình 1 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	2,09 MB