Thiết kế và mô phỏng khảo sát các thông số kỹ thuật của anten vi dải

Trong thực tế khe bức xạ có dạng chữ nhật khe thẳng hoặc hình tròn khe hình vành khăn và được cắt trên cácmặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau : trên thành hốc cộng hưởng,th

Trờng đại học vinh khoa điện tử viễn thông

các thông số kỹ thuật của anten vi dải

Người hướng dõ̃n : ThS lê thị kiều nga Sinh viờn thực hiợ̀n : lê văn vĩnh

Mó số sinh viờn : 0851080337

nghệ an - 01/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Văn Vĩnh Mã số sinh viên: 0851080337 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Kiều Nga Cán bộ phản biện: ThS Cao Thành Nghĩa 1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

CHƯƠNG I LÍ THUYẾT ANTEN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Các loại Anten 2

1.3 Các tham số cơ bản của anten 3

1.3.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 3

1.3.2 Giản đồ bức xạ 4

1.3.3 Mật độ công suất bức xạ 7

1.3.4 Cường độ công suất bức xạ 8

1.3.5 Hệ số định hướng 8

1.3.6 Hệ số tăng ích 9

1.3.7 Băng thông 11

1.3.8 Trở kháng vào 12

1.4 Kết luận chương 1 12

CHƯƠNG II ANTEN VI DẢI VÀ GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN VI DẢI 13

2.1 Anten vi dải 13

2.1.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 13

2.1.2 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 15

2.1.3 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA) 16

2.1.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method) 17

2.1.5 Băng thông của MSA 20

2.1.6 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải 21

2.1.7 Trường bức xạ của anten vi dải 24

2.1.8 Sự phân cực sóng 28

2.1.9 Mô hình hốc cộng hưởng 28

2.1.10 Các công thức tính toán các kích thước của anten vi dải hình chữ nhật

thông thường 36

2.2 Thu nhỏ kích thước anten vi dải 37

2.2.1 Phương pháp Shorting-wall 38

2.2.2 Phương pháp Shorting-pin 39

2.3 Thiết kế và kết quả mô phỏng 40

2.3.1 Thiết kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật thông thường 40

2.3.3 Thiết kế và kết quả mô phỏng anten vi dải giảm nhỏ kích thước dùng shorting-pin 47

2.4 Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG III ANTEN VI DẢI HOẠT ĐỘNG Ở CÁC DẢI TẦN KHÁC NHAU .51 3.1 Giới thiệu chung 51

3.2 Anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng các mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác nhau 51

3.3 Anten vi dải hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng mặt bức xạ cùng với khe nhúng hình chữ U 53

3.4 Thiết kế và kết quả mô phỏng 54

3.4.1 Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng các mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác nhau 54

3.4.2 Thiết kế và mô phỏng anten hoạt động ở nhiều dải tần sử dụng khe nhúng hình chữ U 57

3.5 Kết luận chương 3 59

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếngđộng âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi Trải qua quá trình pháttriển, nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó

là nhanh, chính xác và xa trong khi đó nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thìkhông thể đáp ứng được vì khả năng hạn chế và sự rủi ro Chính từ nhu cầu đó đãthôi thúc con người phải tìm ra cách thức liên lạc mới và đến năm 1837 SamuelMorse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điệngây nên tiếng Với phát minh này nó đã làm giảm đi nhiều độ rủi ro của thông tintuy nhiên nó vẫn bị hạn chế bởi khoảng cách xa và cho đến năm 1894 Maxwell đãđưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cảtrong chân không đó là sóng điện từ thì thông tin đã có thể khắc phục được hạn chếbởi khoảng cách địa lý Điều này được thực tế hoá bởi Maconi, ông đã thành côngtrong việc truyền tín hiệu Morse bằng sóng vô tuyến qua Đại Tây Dương vào năm

1902 Sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề chonhiều ứng dụng trong viễn thông sau này

Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của antenmột thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu Anten cũng đã xuất hiện từ lâu

có thể nói nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới Anten dần trởnên phổ biến từ khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc ti vi đènhình tất cả đều sử dụng đến nó Lúc đó anten có cấu tạo rất đơn giản chỉ là nhữngchiếc anten đơn cực sau dần là hệ thống anten được ứng dụng rất nhiều và phổ biến

Đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối diđộng thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến đểđáp ứng nhu cầu của người sử dụng Điểm mạnh của anten vi dải so với các loạianten thông thường khác là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấutrúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải hiện nay đang được sửdụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Chính vì vậy em

chọn đề tài: “Thiết kế và mô phỏng khảo sát các thông số kĩ thuật của anten vi dải”

để làm đồ án tốt nghiệp

Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mangnhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏinhững sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc

để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin gửi đến cô Lê Thị Kiều Nga lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn

sâu sắc về sự hướng dẫn nhiệt tình của cô trong suốt quá trình em làm đồ án tốtnghiệp Cô đã rèn luyện cho em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê vào khoa học

kĩ thuật Tất cả những điều này là hành trang quan trọng cho em tiếp tục trên conđường khoa học kĩ thuật sau này

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử ViễnThông, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Viễn Thông đã hết lòng dạy dỗ vàtruyền đạt những kiến thức quý báu trong quá trình học để trang bị một nền tảngkiến thức vững chắc để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp và sẵn sàng cho công việctương lai

Và cuối cùng em xin cảm ơn những người bạn trong nhóm đã có những giúp

đỡ, chia sẻ, thảo luận, động viên trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Nghệ An, tháng 01 năm 2013

Sinh viên

Lê Văn Vĩnh

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này tập trung nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng một anten vi dải, rút gọnkích thước của anten vi dải và anten vi dải hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau.Anten được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi εr = 4.5, độ dày là 1,66 mm

và được thiết kế tại tần số 900 MHz và 1800 MHz

Đồ án bao gồm 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten, nêu ra một số tham số cơ bản đểđánh giá hiệu suất của anten như: giản đồ bức xạ, công suất bức xạ, hệ số địnhhướng, hệ số tăng ích, phân cực, trở kháng vào, …

Chương 2 giới thiệu về anten vi dải và các thiết kế, mô phỏng anten vi dải,thu nhỏ kích thước của anten vi dải dùng shorting-wall và shorting-pin

Chương 3 giới thiệu về hai phương pháp thiết kế anten vi dải hoạt động ởnhiều dải tần bằng cách dùng nhiều mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác nhau vàdùng khe nhúng hình chữ U

ABSTRACT

This thesis focused on studied, design, simulation an microstrip antenna,compact microstrip antenna and multiband antenna Antenna was fabricated on asubstrate with dielectric constant εr = 4.5, thickness of 1.66 mm and was designed

at the frequency of 900 MHz and 1800 MHz

Thesis include 3 chap with the following contents:

Chapter 1 introduces and defines the antenna, yets some basic parameters toevaluate the performance of the antenna such as: radiation diagram, radiationpower, the orientation coefficient, coefficient of gain, polarization, or resistant,

Chapter 2 introduces the microstrip antenna and the design, simulationmicrostrip antenna, miniaturization of microstrip antenna using shorting-wall andshorting-pin

Chapter 3 introduces the two methods of micro-strip antenna design operates

in several frequency bands by using the radiation many different resonant frequency and use the U-shaped slot embedded

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng 1

Hình 1.2 Các trường bức xạ tại khu xa 3

Hình 1.3 Hệ tọa độ phân tích của anten 4

Hình 1.4 Bức xạ đẳng hướng 5

Hình 1.5 Bức xạ hướng tính 5

Hình 1.6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều 6

Hình 1.7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều 6

Hình 2.1 Anten vi dải 13

Hình 2.2 Các dạng anten vi dải thông dụng 15

Hình 2.3 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 18

Hình 2.4 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 19

Hình 2.5 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled 19

Hình 2.6 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled 20

Hình 2.7 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật 22

Hình 2.8 Phân bố điện tích và dòng điện 29

Hình 2.9 Phân tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ 31

Hình 2.10 Các mode trường bức xạ anten vi dải 33

Hình 2.11 Các thông số cơ bản của anten vi dải 36

Hình 2.12 Cấu trúc anten vi dải thông thường 38

Hình 2.13 Anten vi dải hình chữ nhật cùng với kĩ thuật shorting-wall 38

Hình 2.14 Cấu trúc một phần tư bước sóng 39

Hình 2.15 Cấu trúc anten vi dải hình chữ nhật dùng kĩ thuật shorting-pin 39

Hình 2.16 Anten vi dải hình chữ nhật cùng với kĩ thuật shorting-pin 40

Hình 2.17 Cấu trúc nhỏ hơn một phần tư bước sóng 40

Hình 2.18 Mô phỏng HFSS anten vi dải tiếp điện bằng cáp đồng trục 42

Hình 2.19 Hệ số tổn hao ứng với các vị trí tiếp điện khác nhau 42

Hình 2.20 Tần số cộng hưởng của anten vi dải 43

Hình 2.21 Hệ số sóng đứng của anten 43

Hình 2.22 Trở kháng vào của anten 44

Hình 2.23 Độ lợi của anten 44

Hình 2.24 Anten vi dải thu gọn sử dụng shorting-wall 45

Hình 2.25 Tần số cộng hưởng của anten vi dải thu gọn sử dụng shorting-wall .45

Hình 2.26 Hệ số sóng đứng của anten vi dải rút gọn dùng shorting-wall 46

Hình 2.27 Trở kháng vào của anten sử dụng shorting-wall 46

Hình 2.28 Anten vi dải giảm nhỏ kích thước sử dụng shorting-pin 47

Hình 2.29 Tần số cộng hưởng của các anten có vị trí pin khác nhau 48

Hình 2.30 Tần số cộng hưởng của anten sử dụng shorting-pin 48

Hình 2.31 Hệ số sóng đứng của anten sử dụng shorting-pin 49

Hình 2.32 Trở kháng vào của anten sử dụng shorting pin 49

Hình 2.33 Độ lợi của anten vi dải sử dụng shorting-pin 50

Hình 3.1 Mặt bức xạ của anten inverted-F phẳng hoạt động ở hai tần số 900MHz và 1800MHz 52

Hình 3.2 Anten vi dải hoạt động ở ba tần số 900MHz, 1800MHz, 2450 MHz 52

Hình 3.3 Mặt bức xạ của anten hoạt động ở hai băng tần với khe nhúng hình chữ U 53

Hình 3.4 Anten vi dải hoạt động ở hai dải tần 900 MHz và 1800 Mhz 54

Hình 3.5 Tần số cộng hưởng của anten hoạt động ở hai băng tần 900Mhz và 1800 Mhz 55

Hình 3.6 Hệ số sóng đứng của anten hoạt động ở hai dải tần 900MHz và 1800MHz 55

Hình 3.7 Trở kháng vào của anten 56

Hình 3.8 Độ lợi của anten sử dụng các mặt bức xạ có tần số cộng hưởng khác nhau 56

Hình 3.9 Mô phỏng HFSS anten vi dải sử dụng khe nhúng hình chữ U 57

Hình 3.10 Tần số cộng hưởng của anten sử dụng khe nhúng hình chữ U 57

Hình 3.11 Hệ số sóng đứng của anten sử dụng khe nhúng hình chữ U 58 Hình 3.12 Trở kháng vào của anten sử dụng khe nhúng hình chữ U 58

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

ISM Industrial Scientific and

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

UMTS Universal Mobile

CHƯƠNG I

LÍ THUYẾT ANTEN

Tóm tắt

Chương này trình bày các vấn đề sau:

Giới thiệu chung về anten

Trình bày các loại anten

Các tham số cơ bản của anten

1.1 Giới thiệu

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (antenthu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúcchuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể

hiện trong hình 1.1 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 với nhau qua đườngtruyền năng lượng điện từ, gọi là feeder Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụtạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder tới antenphát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện

từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc.Sóng này được truyền theo feeder tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và feeder

là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất vàkhông gây ra méo dạng tín hiệu

Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thốngkhông dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo mộtvài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten cũng cần phải cóvai trò như một thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa, anten cũng phải có các hìnhdạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể

Anten là một lĩnh vực sôi động Công nghệ anten đã là một phần không thểthiếu trong các giải pháp truyền thông Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thờigian cách đây hơn 50 năm vẫn còn sử dụng ngày nay; tuy nhiên ngày nay vẫn cónhiều kết quả mới và những thay đổi đã được đưa ra, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất

hệ thống ngày càng lớn hơn

1.2 Các loại Anten

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vôtuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau Chúng bao gồm :

Anten dây là anten lâu đời nhất và phổ biến nhất trong tất cả các loại anten.

Hiện có hình dạng khác nhau của ăng-ten dây như một sợi dây thẳng (lưỡng cực),vòng lặp và xoắn

Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng tần viba Trong thực tế khe bức xạ có

dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình tròn (khe hình vành khăn) và được cắt trên cácmặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau : trên thành hốc cộng hưởng,thành ống dẫn sóng hình chữ nhật hoặc hình tròn, trên các tấm kim loại phẳng, cánhmáy bay…kích thước của mặt kim loại có thể khá lớn so với bước sóng nhưng cũng

có thể chỉ vào khoảng vài bước sóng công tác

Anten phản sóng là anten có cấu trúc phức tạp được sử dụng để truyền trên

khoảng cách rất xa Chúng có kích thước lớn để đạt được độ lợi cao cần thiết khitruyền tải hoặc nhận tín hiệu sau khi truyền đi hàng triệu dặm

Anten parabol với độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong

truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh

Đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di độngthì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đápứng nhu cầu của người sử dụng

1.3 Các tham số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sựbức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độđịnh hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, …

1.3.1 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 khônggian, bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ Trước hết, trường

từ biến thiên sinh ra trường điện biến thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo

ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên Quá trình này lặp

đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau

là trường điện (E) và trường từ (H) Hai trường này vuông góc với nhau và vuônggóc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten, nó sẽ hình thành hai trường.Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này bị ràng buộc với anten,

có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten Trường kia làtrường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình1.2) Tại khu xa, chỉ có bức xạ được duy trì Trường khu xa gồm 2 thành phần làđiện trường và từ trường (xem hình 1.2)

Hướng truyềnAnten phát Điện trường Anten thu

Từ trường

Hình 1.2 Các trường bức xạ tại khu xa

Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nêntrường điện từ Trường điện 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

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.

1.3.2 Giản đồ bức xạ

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ vớimột giản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ nàythể hiện được đặc tính bức xạ và đặc tính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệtrục tọa độ không gian Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa củacác đại lượng như mật độ công suất bức xạ, 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 đíchthực tế, đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tínhbức xạ của anten

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng là một anten giả định, nó chuyển toàn bộ công suất đầuvào thành công suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng Anten đẳng hướngthường được dùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính củaanten trong thực tế

Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từtheo một vài hướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại

Hình 1.4 Bức xạ đẳng hướng

Hình 1.5 Bức xạ hướng tính

Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tínhcủa anten Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường vàhướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từtrường và hướng bức xạ cực đại Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten saocho mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x, yhoặc 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 phân thành các loại sau: thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ, như ta

thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Hình 1.7 biểu diễn cácthùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D).

Hình 1.6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều

Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại, trong hình 1.4 thùy chính cóhướng θ = 0 Trên thực tế, có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Thùy phụ là bất

kỳ thùy nào ngoài thùy chính Thông thường, thùy bên là thùy nằm liền xác vớithùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của thùy chính Thùy sau là thùy màtrục của nó tạo một góc xấp xỉ so với thùy chính và thường định xứ ở bán cầungược với thùy chính

Cường độ bức xạ Thùy chính

Thùy bên

Thùy lưng Thùy nhỏ

HPBW

FNBW

1.3.3 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc quacấu trúc dẫn sóng Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóngđiện từ là vector Poynting tức thời:

W = E × H (1.1)

W = vector Poying tức thời (W/ )

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 phânthành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín

s W ds  s W n da 

P = tổng công suất tức thời (W)

n = vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt

da = vi phân diện tích của bề mặt ( )

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trungbình bằng cách lấy tích phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia chomột chu kỳ Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng , ta địnhnghĩa được thành phần E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và

H theo công thức như sau :

Dựa trên công thức trên ,công suất phát xạ trung bình của anten có thể đượcđịnh nghĩa là :

1 Re( * ) 2

P P W dsW  n da   E H ds (1.7)

1.3.4 Cường độ công suất bức xạ

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượngđược bức xạ từ anten trên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số củatrường xa và được xác định bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bìnhphương khoảng cách :

P 4

rad

U



 Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau :

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

của anten có thể được viết là:

D0 = Dθ + D (1.13)Trong đó hệ số định hướng riêng Dθ và Dϕ được biểu diễn bởi :

4( rad) ( rad)

U D

U D

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc 

là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào θ

là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào 

1.3.6 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăngích G (hay còn gọi là độ lợi) Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và làđơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó Trongkhi 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 theohướng và khoảng cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn(thường là anten vô hướng) theo hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết côngsuất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.

(1.14)

Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chiacho 4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằngcông suất đặt vào anten) Do đó, ta có:

( , )4

in

U G

P

 



 (không thứ nguyên) (1.15)Tổng công suất bức xạ (Prad) có quan hệ với tổng công suất đặt vào anten (Pin) bởi:

“phần cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường

độ bức xạ khi anten bức xạ đẳng hướng” Với định nghĩa này, thì theo một hướngcho trước “tổng hệ số tăng ích là tổng của các hệ số tăng ích riêng” Trong hệ tọa độcầu, hệ số tăng ích cực đại G0theo các thành phần trực giao θ và φ của anten có thểđược viết như sau, theo dạng tương tự như hệ số định hướng cực đại trong (1.13a)

và (1.13b):

G0 = G+ Gθ (1.20)

Trong khi các hệ số tăng ích riêng G và Gθ được biểu diễn bởi :

Gθ = (1.20a)

G = (1.20b)

Trong đó : Pin là tổng công suất đưa vào anten

Uθ là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường Eθ

U là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường E

Thường thì hệ số tăng ích được biểu diễn theo khái niệm dB thay vì không có thứnguyên như trong công thức (1.19) Công thức tương ứng được cho bởi:

G0(dB) = 10log10(ecdD0) (1.21)

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong mộtanten và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối vớitrường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực) Trong thực tế,tham số này đã đưa

ra tham số hiệu suất của anten, , cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suấtđầu vào thành công suất bức xạ như thế nào

1.3.7 Băng thông

Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏamãn một tiêu chuẩn nhất định Băng thông có thể là khoảng tần số, về hai bên củatần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính của anten (như trởkháng vào, độ rộng búp sóng, hướng búp sóng, giản đồ, phân cực, cấp thùy bên,…)đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần sốtrên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được Ví

dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới

BW = (1.22)

Với các anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự saikhác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới) so với tần số trung tâm Ví dụ, băngthông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông.

BW = (1.23)

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 tần số nên có nhiều địnhnghĩa băng thông khác nhau Tùy các ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính củaanten được chọn như thế nào cho phù hợp

1.3.8 Trở kháng vào

Trở kháng vào được định nghĩa như sau: “trở kháng của anten tại điểm đầu vào của

nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứngcủa điện trường so với từ trường ở một điểm” Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếutới trở kháng vào tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào này, không

có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

ZA = RA + jXA (1.24) Trong đó, ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)

XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Nói chung, thành phần điện trở trong (1.24) bao gồm 2 thành phần là:

RA = Rr + RL (1.25) Trong đó, Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten

RL trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số Do đó, anten chỉđược phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó Thêmnữa, trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng của anten,phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của các đối tượng bao quanh nó

Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiêncứu và phân tích tỉ mỉ Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằngthực nghiệm

1.4 Kết luận chương 1

Như vậy, chương 1 đã trình bày tổng quan về anten, các loại anten, và cáctham số cơ bản của anten như: hệ số định hướng, hệ số tăng ích, băng thông, trởkháng vào… Trong chương tiếp theo, đồ án sẽ trình bày tổng quan về anten vi dải,loại anten được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thông tin động hiện nay và các

kĩ thuật thu nhỏ kích thước của anten vi dải

CHƯƠNG II ANTEN VI DẢI VÀ GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN VI DẢI

Chương này trình bày về anten vi dải và các kĩ thuật giảm nhỏ kích thước của anten vi dải

2.1 Anten vi dải

2.1.1 Giới thiệu chung về anten vi dải

Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm

1953 Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế

tạo Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson và

được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại rất mỏng (bề dày t <<

λ0, λ0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rấtnhỏ (h << λ0, thường thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0) Patch của anten vi dải được thiết kế

để có đồ thị bức xạ cực đại Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúngmode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch Bức xạ end-fire cũng

có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động Đối với một patchhình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng λ0/3 < L< λ0/2 Patch

và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền như hình 2.1.

Có nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số

điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2 < ε r < 10 Những lớp điện môi

được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi củachúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thônglớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kíchthước các phần tử lớn hơn Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong khônggian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Nền mỏng với hằng số điện môi lớnhơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giớihạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồngthời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên vì sự mất mát lớn hơn,dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn

Các thông số kỹ thuật của anten:

- Tần số làm việc của anten là tần số cộng hưởng của anten Anten luôn làm

việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớn nhất

- Hệ số định hướng của anten theo hướng nào đó được định nghĩa bằng tỷ số

cường độ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độ trường bức xạcủa một anten chuẩn cũng ở vị trí và hướng tương ứng (D) Hệ số tăng ích (Độ lợi

- G) của anten được xác định theo công thức: G=e.D, trong đó e là hiệu suất bức

xạ của anten

Khi kết nối anten với đường truyền năng lượng cao tần cần chú ý tới điều kiệnphối hợp trở kháng, Thông thường trở kháng đặc tính của đường truyền là R0, đểphối hợp trở kháng thì phải thỏa mãn điều kiện: ZA=R0

- Hệ số tổn hao RL (dB), đánh giá mức độ phản xạ của sóng tại điểm kết nối

anten với đường truyền năng lượng cao tần Hệ số tổn hao được tính qua hệ số phản

xạ theo công thức sau:

dB

- Hệ số sóng đứng SWR, đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng giữa

anten và đường truyền năng lượng cao tần

1 | |W

1 | |

S R  

 

2.1.2 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác

Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square), hình tròn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular ring).

Anten vi dải hình chữ nhật Anten vi dải hình vuông Anten vi dải hình tròn

Anten vi dải hình elip hình tam giácAnten vi dải hình vòng trònAnten vi dải

Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi

dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải.

Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳnghay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trênmặt phẳng còn lại của đế Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặctính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như mộtdipole Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn

là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉkhác nhau tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước sóngtrong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giốngnhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân

cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau Anten dipole vi dải thì thích

hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dàytương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hìnhcấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải

Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của một

đế được nối đất (ground substrate) Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau

như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến, Anten loại này bức xạ theo hai hướngnghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướngbằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe

MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạn

đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE Trong đó,

đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện

tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire.

2.1.3 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống

khác Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ

100Mhz đến 100Ghz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều

ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần đượckhắc phục

 Ưu điểm:

 Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng

 Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt

 Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản

 Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuấtđồng thời với việc chế tạo anten

 Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền.

 Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng

 Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân

 Khuyết điểm:

 MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai.

 Một số MSA có độ lợi thấp.

 Khả năng tích trữ công suất thấp

 Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất.

 Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%, đây là hạn chế lớn

nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng.

Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều

ứng dụng

 Một số ứng dụng của MSAs:

 Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường

được dùng

 Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ.

 Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

 Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.

2.1.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method)

Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các

kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một đường

truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến patch kim

loại của anten vi dải Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số kỹ thuậtcấp nguồn mới cho anten vi dải đã được nghiên cứu và phát triển Hiện nay cácphương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng

đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-coupling), ghép gần (proximiti-coupling).

Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Tuy nhiên,yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấpnguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau Ngoài ra, việcchuyển đổi trở kháng bước, việc uốn cong, cũng làm phát sinh bức xạ rò và suyhao sóng mặt Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đồ thịbức xạ của anten vi dải việc giảm thiểu bức xạ rò và những ảnh hưởng của nó lên

đồ thị bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốthay không?

2.1.4.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp

nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền vi

dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này

có vài hạn chế Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch (ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với

khoảng vài mm)

GND Feed

Hình 2.3 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải

2.1.4.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền

tải công suất cao tần Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với ground plane Ưu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp

trở kháng Tuy nhiên cách này có nhược điểm là:

Thứ nhất, vì dùng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten

không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồngtrục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khókhăn và độ tin cậy giảm đi Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi

phải tăng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của probe Kết quả là bức xạ rò và điện

cảm của probe tăng lên

Hình 2.4 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục

єr2 єr1

Patch

khe

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 2.5 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled

Phương pháp cấp nguồn cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạ

không cần thiết của đường microstrip line Cấu trúc bao gồm 2 lớp điện môi Patch

antenna được đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đường truyền feed line ở lớp điện môi dưới Thông thường thì miếng điện môi ở trên có hằng số điện

môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắm mục đích tối ưuhóa sự bức xạ của anten Tuy nhiên, phương thức cấp nguồn này khó thực hiên dophải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten Phương pháp cấp nguồn này thì

cho băng hẹp (narrow bandwith).

2.1.4.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled

Cấu trúc này gồm 2 lớp điện môi, miếng patch antenna nằm ở miếng điện môi trên, đường feed line ở giữa 2 lớp điện môi Phương thức này có ưu điểm cao đó loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feed line) và cho băng thông rộng

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 2.6 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled

Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ Phương phápnày về bản chất là ghép điện dung giữa patch và đường cấp nguồn Thông số củahai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ rò ở đầucuối hở của đường truyền Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi thứ hai cũngmỏng hơn Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn Tuy nhiên phương pháp nàyphức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất.

2.1.5 Băng thông của MSA

Như ta đã biết, hạn chế lớn nhất của MSA là độ rộng của băng thông Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ đối với các anten phân cực tròn, BW được tính theo hệ số quanh trục (AR).

BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng

của anten nằm trong một giới hạn cho trước BW của MSA tỉ lệ nghịch với hệ số

Với tiêu chuẩn VSWR< 2, ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của BW (tính theo %) theo h/λλ o với các thông số ε r khác nhau (ε r =2.2 và ε r=10)

Công thức gần đúng cho BW:

2.1.6 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải

Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự như

là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ

số điện môi tương đối thấp Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi dải tốthơn với hiệu suất bức xạ cao hơn Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụngcác nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định

từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện

mặt trên bề mặt của patch.

Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần (microwave

source) Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện

tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất.

Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình thành do các lực tương tác giữa các điện tử

cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độ dòng mặt dưới J b

và vectơmật độ dòng mặt trên J t

Hình 2.7 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật

Do trong hầu hết các anten tỷ số h W là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích

chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch bề mặt Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa của patch Do vậy, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có thể thành lập các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả định này càng hợp lý hơn trong trường

hợp đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi rlớn Tương tự như trườnghợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyềntrong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không đổi và trường

điện gần như vuông góc với bề mặt của patch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity)

với các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với

bề mặt của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp

tuyến gần như bằng không) Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ

có các mode TM là có thể truyền trong hốc cộng hưởng.

Bốn bức tường bên của hốc cộng hưởng tương ứng cho bốn khe bức xạ

Patch của anten vi dải có thể tượng trưng bằng một vectơ mật độ dòng J t

tươngứng Trong khi đó, bốn khe bức xạ ở các mặt bên được đặc trưng bằng các vectơmật độ dòng J s

và M s lần lượt tương ứng với trường từ H a

và trường điện E a

trongcác khe bức xạ

của patch Do đó, Jt sẽ được đặt bằng không để chỉ ra rằng

hầu như không có bức xạ từ bề mặt của patch Tương tự như thế, các trường từ tiếp tuyến dọc theo rìa của patch và mật độ dòng tương ứng M s

dọc theo chu vi patch Để biểu diễn sự hiện diện của mặt phẳng đất ta sử dụng

lý thuyết ảnh rằng mật độ dòng sẽ tăng gấp đôi so với khi chưa xét mặt phẳng đất.Mật độ dòng mới sẽ là:

M s 2n E  a

(2.10) Trường điện trong khe bức xạ xác định:

 đối với khe có chiều dài L và độ cao h

Do các điều kiện xét trên, ta nhận ra là kết quả bức xạ của khe dọc theo chiều

của trục x thì hầu như bằng không vì phân bố dòng bằng và đảo dấu với nhau trong các khe Tuy nhiên, kết quả bức xạ dọc theo chiều của trục y tồn tại dưới dạng một

dải hai thành phần với các thành phần mật độ dòng cùng biên độ và pha và cách

nhau một khoảng L - chiều dài của patch Do đó, bức xạ từ patch có thể được miêu

tả dưới dạng hai khe dọc (vertical slots).

Việc phân tích các khe dọc này trong môi trường điện môi không đồng nhất làmột vấn đề hết sức khó khăn nên các khe dọc này được thay thế bởi hai khe phẳng

(planar slots) Đối với các loại anten vi dải có cấu hình khác cũng có thể được

tượng trưng bởi các khe tương ứng cùng loại

2.1.7 Trường bức xạ của anten vi dải

Trường bức xạ từ anten vi dải do dòng từ bề mặt giống như bức tường dọc

theo chu vi patch Ở một phương pháp khác nhưng kĩ hơn, trường bức xạ được xác định từ dòng điện bề mặt trên miếng patch dẫn điện của anten vi dải Cả hai phương

pháp này được xem là tương đương nhau Sự bức xạ của anten vi dải đôi lúc được

xem như là sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch Đồ thị bức xạ của một đầu

hở của đường truyền vi dải tương tự như đồ thị bức xạ của một dipole Hertz.

Phương pháp này cũng được dùng để tính toán sự ảnh hưởng của bức xạ lên hệ số

phẩm chất Q của khung cộng hưởng vi dải Lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã

cho ta thấy rằng ở tần số cao, suy hao do bức xạ cao hơn nhiều so với suy hao dođiện dẫn và điện môi Ngoài ra, nó cũng cho ta thấy rằng đường truyền vi dải hởmạch bức xạ công suất mạnh hơn khi được chế tạo với lớp điện môi dày có hằng sốđiện môi thấp Vectơ thế được dùng để xác định trường bức xạ do dòng điện mặt

2.1.7.1 Thế vectơ và một số công thức tính trường bức xạ

Trước tiên, ta giả sử rằng chỉ có dòng từ tồn tại Trường điện và trường từ tại

bất kỳ điểm P(r,θ,Ф)) bên ngoài anten được biểu diễn như sau:

được cho bởi:

vuông góc với hướng truyền sóng, tức là, thành phần theo θ và Ф) Chỉ xét riêng

2.1.7.2 Công suất bức xạ

Công suất bức xạ của anten có thể được tính bằng cách lấy tích phân của

vectơ Poynting trên khe bức xạ:

r 12Re ( )

aperture

P   E H dS               (2.25)

Đối với anten vi dải, trường điện bên trong miếng patch thì vuông góc với

miếng dẫn và mặt phẳng đất và trường từ thì song song với cạnh của anten Ngoài

ra, ta có thể tính toán công suất bức xạ từ đồ thị bức xạ theo phương trình sau:

2.1.7.3 Công suất tiêu tán

Công suất tiêu tán trong anten vi dải bao gồm suy hao điện dẫn Pc và suy haođiện môi Pd:

2.1.7.4 Năng lượng tích lũy

Năng lượng tích lũy trong anten vi dải là tổng năng lượng của hai thành phầnđiện và từ:

t e m 14 ( | |2 | | )2

V

W W W   E  H dV (2.29)

Trong đó, μ là độ từ thẩm Tại tần số cộng hưởng năng lượng điện và từ bằng nhau.

Khi đó năng lượng tích lũy: