NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

EPU ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI

ĐA BĂNG TẦN

Giảng viên hướng dẫn: ThS HOÀNG THỊ PHƯƠNG THẢO

Sinh viên thực hiện: ĐẶNG NGỌC HÙNG

Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Lớp: Đ6-ĐTVT1 Khóa: 2011-2016

Hà Nội – tháng 1 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

EPU ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Lớp: Đ6-ĐTVT1 Khóa: 2011-2016

Hà Nội – tháng 1 năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Hoàng Thị Phương Thảo, cô đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án Không có sự giúp đỡ

và những lời khuyên vô giá của cô, đồ án của em không thể được hoàn thành

Em muốn cảm ơn sâu sắc tới gia đình em Gia đình đã yêu thương, ủng hộ

và giúp đỡ em không chỉ trong thời gian làm đồ án mà trong cả khóa học

Hà Nội, tháng 1 năm 2016 Sinh viên

Đặng Ngọc Hùng

NHẬN XÉT (của giảng viên hướng dẫn)

NHẬN XÉT (của giảng viên phản biện)

MỤC LỤC

Nội Dung

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 2

1.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Các tham số cơ bản của anten 3

1.1.3 Phân loại anten 15

1.2 ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI VÀ ANTEN VI DẢI 17

1.2.1 Đường truyền vi dải 17

1.2.2 Anten vi dải 19

CHƯƠNG II: ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN 26

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 26

2.1.1 Dải thông tần 26

2.1.2 Dải tần công tác 27

2.2 MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CỦA ANTEN VI DẢI 28

2.2.1 Giới thiệu 28

2.2.2 Ảnh hưởng của các tham số chất nền tới băng thông 30

2.2.3 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ thích hợp 32

2.2.4 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện thích hợp 33

2.2.5 Kỹ thuật kích thích đa mode 34

2.2.6 Các kỹ thuật mở rộng băng thông khác 42

2.3 ANTEN VI DẢI NHIỀU BĂNG TẦN 44

2.3.1 Anten vi dải 2 tần số cộng hưởng 44

2.3.2 Anten vi dải nhiều hơn 2 tần số cộng hưởng 46

2.4 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG DẢI RỘNG 46

2.4.1 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 46

2.4.2 Phối hợp trở kháng dải rộng 47

2.4.3 Một số bộ phối hợp trở kháng dải rộng 50

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI ĐA BĂNG TẦN 58

3.1 GIỚI THIỆU 58

3.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BỨC XẠ 59

3.3 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG DẢI RỘNG 61

3.4 THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 50Ω 64

3.5 MÔ PHỎNG CÁU TRÚC ANTEN VỚI PHẦN MỀM ANSOFT HFSS 65

3.5.1 Phần mềm HFSS 65

3.5.2 Một số lưu ý về thiết đặt các tham số trong HFSS 67

3.5.3 Kết quả mô phỏng với HFSS 73

KẾT LUẬN 80

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG

Hình

Chương 1

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng 1

Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.1 2

Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa 4

Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten 5

Hình 1.5 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten 6

Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa 7

Hình 1.7 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính 8

Hình 1 8 Các vùng trường của một anten 10

Hình 1.9 Giản đồ bức xạ trường xa của anten parabol tại các khoảng cách R khác nhau 11

Hình 1.10 Hình dạng các loại anten 17

Hình 1.11 Cấu trúc của đường truyền vi dải 18

Hình 1.12 Giản đồ trường của một đường vi dải 19

Hình 1.13 Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất 20

Hình 1.14 Hình dạng anten patch vi dải 22

Hình 1.15 Một vài dipole mạch in và vi dải 22

Hình 1.16 Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện 23

Hình 1.17 Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in 23

Hình 1.18 Anten patch hình chữ nhật 25

Chương 2 Hình 2.1 Băng thông của anten 26

Hình 2.2 Ảnh hưởng của hằng số điện môi và độ dày chất nền tới băng thông trở kháng (VSWR < 2) và hiệu suất bức xạ 30

Hình 2.3 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo hằng số điện môi chất nền Trong đó h=1.59 mm, W=0.9L, f=3 GHz 31

Hình 2.4 Sự biến đổi của hệ số Q của anten vi dải có patch hình chữ nhật theo độ dày chất nền Trong đó ε r=2.2, W=0.9L, f=3 GHz 32

Hình 2.5 Anten vi dải tiếp điện bằng ghép khe 34

Hình 2.6 Anten vi dải với patch xếp chồng tiếp điện bằng ghép khe 36

Hình 2.7 Một vài anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng 38 Hình 2.8 Anten vi dải băng rộng sử dụng các patch ghép khe đồng phẳng 40

Hình 2.10 Patch được rạch khe U tạo ra 2 tần số cộng hưởng và tăng băng thông 41

Hình 2.11 Một anten dipole cuộn tròn kép với băng thông rộng 42

Hình 2.12 Anten với patch đơn băng rộng sử dụng thành phần chuyển tiếp 3D 43

Hình 2.13 Anten vi dải băng rộng được mắc thêm tải điện trở l = 0.79L 44

Hình 2.14 Hình dạng anten mạch dải 2 băng tần 45

Hình 2.15 Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kì 46

Hình 2.16 Bộ biến đổi nhiều phân đoạn 47

Hình 2.17 Phối hợp trở kháng bằng dải liên tục và mô hình để tăng số lượng phân đoạn N lên tiến tới vô cùng 49

Hình 2.18 Bộ phối hợp trở kháng dạng hàm mũ 51

Hình 2.19 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng hàm mũ 52

Hình 2.20 Bộ phối hợp trở kháng dạng tam giác 53

Hình 2.21 Bộ phối hợp trở kháng liên tục dạng tam giác 54

Hình 2.22 Bộ phối hợp trở kháng Klopfenstein 55

Hình 2.23 Bộ phối hợp trở kháng liên tục Klopfenstein 57

Chương 3 Hình 3.1 Hình dạng của anten được thiết kế trong đồ án 59

Hình 3.2 Thành phần bức xạ của anten 59

Hình 3.3 Kích thước chi tiết thành phần bức xạ của anten 60

Hình 3.4 Đồ thị cho ví dụ trên 63

Hình 3.5 Thiết lập các thông số của đường truyền 64

Hình 3.6 Ước lượng độ rộng W của đường truyền vi dải 65

Hình 3.7 Chu trình thực hiện mô phỏng với HFSS 67

Hình 3.8, Thiết đặt các tùy chọn “Solution Setup” trong tab General 68

Hình 3.9, Thiết đặt các tùy chọn” Solution Setup” trong tab Option 70

Hình 3.10 Thiết đặt tùy chọn Mesh Operations 72

Hình 3.11 Biên bức xạ cho anten trong đồ án 73

Hình 3.12 Sự hội tụ của lời giải trong HFSS 74

Hình 3.13 Hệ thống mắt lưới khi lời giải hội tụ 75

Hình 3.14 Đồ thị S11 cho anten 76

Hình 3.15 Đồ thị VSWR cho anten có nhánh điều chỉnh (nhánh thứ 3) 76

Hình 3.16 Giản đồ bức xạ trường xa trong mặt phẳng XOY 77

Hình 3.17 Giản đồ bức xạ trường xa trong mặt phẳng XOZ 78

Hình 3.18 Giản đồ bức xạ trường xa trong mặt phẳng YOZ 78

Hình 3.19 Giản đồ bức xạ 3D trường xa trong hệ tọa độ cực tại tần số 870 MHz 79 Hình 3.20 Giản đồ bức xạ 3D trường xa trong hệ tọa độ cực tại tần số 2160 MHz 79 Hình 3.21 Giản đồ bức xạ 3D trường xa trong hệ tọa độ cực tại tần số 2380 MHz 79

Traveling-wave Antenna

Anten sóng chạy vi dải

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

MỞ ĐẦU

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

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz)

Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp, và mở rộng băng thông thường là nhu cầu 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 Nhiều sự cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với cả hai loại phân cực, phân cực tròn và tăng ích cao đã được báo cáo trong một vài năm gần đây

Đồ án tập trung thiết kế một anten vi dải đa băng tần với băng thông được

mở rộng Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ

thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và giao diện đồ họa đẹp để mang đến

sự hiểu biết sâu sắc đối với tất cả các bài toán trường điện từ 3D

Đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về anten và anten vi dải

Chương 2: Anten vi dải đa băng tần

Chương 3: Thiết kế anten vi dải đa băng tần

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 1.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN

1.1.1 Giới thiệu

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển 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 đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát 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 fide tới máy thu Yêu cầu của thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc

ở chế độ phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng Zc, và anten được thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(RL + Rr)+jXA Trở kháng tải RL thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), 2 thành phần mất mát này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr được gọi

là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng XA

thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn có trường điện từ dao động ở gần anten, giàng buộc với anten Phần công suất này không bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn Công suất này gọi là công suất vô công, và được biểu thị thông qua điện kháng XA Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ Rr Tuy nhiên, trong một hệ thống thực

tế, luôn tồn tại các mất mát do điện môi và mất mát do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo sự mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.1

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa nhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn Khi đó trên đường truyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng Một mô hình sóng đứng điển hình được thể hiện là đường gạch đứt trong hình 1.2 Nếu hệ thống anten được thiết

kế không chính xác, đường truyền có thể chiếm vai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền năng lượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn Tổng mất mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten, sóng đứng Mất mát do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền mất mát thấp, trong khi mất mát do anten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng bức xạ R

L trong hình 1.2 Sóng đứng có thể được giảm đi và khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cách phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền Tức là phối hợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính là anten

Một phương trình tương tự như hình 1.2 được sử dụng để thể hiện hệ thống anten trong chế độ thu, ở đó nguồn được thay bằng một bộ thu Tất cả các phần khác của phương trình tương đương là tương tự Trở kháng phát xạ R

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

1.1.2 Các tham số cơ bản của anten

a Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, 2 trường được tạo ra Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này giàng buộc với anten; còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) Ngay tại anten (trong trường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng được cấp tới anten Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường (xem hình 1.3)

Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa

Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông qua không gian tự do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường ở khu xa là các sóng phẳng Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng

b 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 các đặc tính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt

có bán kính không đổi Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 1.4

Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten

Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của ϕ, và

giản đồ là hàm của ϕ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại

Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình 1.5 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa

vector H (azimuth plane) với [f (ϕ),θ = π/2] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g (θ), ϕ = const]

Hình 1.5 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten

Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector

từ trường và hướng bức xạ cực đại” Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten

thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) Một ví dụ được thể hiện trong hình 1.6 Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với ϕ = 0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π/2) là mặt phẳng H

Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 1.7(a) minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ Một vài thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy Hình 1.7(b) thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 1.7(a))

Hình 1.7 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten

(b) Đồ thị của giản đồ công suất và các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó\

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính) được định nghĩa là “thùy chứa hướng bức xạ cực đại” Trong hình 1.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ = 0 Có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính Thùy phụ là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính Thường thường, thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu

theo hướng của chùm chính Thùy sau là “thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 độ so với thùy chính Thường thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với thùy chính

Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng không mong muốn, và chúng phải được tối thiểu hóa Thùy bên thường là thùy lớn nhất trong các thùy phụ Cấp của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ công suất theo hướng của thùy đó với mật độ công suất của thùy chính Tỉ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên

Trường khu gần và trường khu xa

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

Các vùng trường được phân định như vậy để xác định cấu trúc trường trong mỗi vùng Không có sự thay đổi trường đột ngột nào khi đi qua biên giới giữa các vùng nói trên Các biên phân giới các vùng trường không phải là duy nhất, do có nhiều tiêu chuẩn khác nhau sử dụng để xác định các vùng trường

Vùng trường gần tác động trở lại (reactive near-field region) được định

nghĩa là “phần không gian trường gần trực tiếp bao quanh anten, xét ở khía cạnh trường tác động trở lại chiếm ưu thế” Trường này giàng buộc với nguồn bức xạ và trao đổi năng lượng với nguồn Với hầu hết các anten, biên của vùng này được tính

tại khoảng cách R < 0,62√ tính từ mặt phẳng anten, ở đó λ là bước sóng và D

là đường kính lớn nhất của anten

Hình 1 8 Các vùng trường của một anten

Vùng trường gần bức xạ (radiating near-field (Fresnel) region) được định

nghĩa là “phần không gian nằm giữa trường gần tác động trở lại và trường xa, xét ở khía cạnh trường bức xạ chiếm ưu thế” Nếu đường kính cực đại của anten không lớn hơn so với bước sóng, vùng này có thể không tồn tại Biên trong được tính ở

khoảng cách R ≥ 0,62√ và biên ngoài ở khoảng cách R < 2D 2 / λ, trong đó D

Hình 1.9 Giản đồ bức xạ trường xa của anten parabol tại các khoảng cách R khác nhau

c Trở kháng vào của anten

giữa điện áp đặt vào anten và dòng điện trong anten

A A A

Ae

A A I

P

(1.2)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten

d Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa công suất bức xạ và công suất máy phát đưa vào anten hay

A

bx A P

bx

bx A

R R

R P

quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn)

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng Hệ số định hướng của anten D( ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ điện trường tại điểm thu ứng với hướng ( ) nào đó:

)0(

),()

0(

),(),

2 1 1 1

1

E

E P

P D

D( là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (

( và là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét

E( và E(0) là cường độ điện trường tương ứng của chúng

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( lần công suất bức xạ của anten vô hướng để có được điện trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(

Hệ số tăng ích của anten G( chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng

để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ điện trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (

),()

,(   D 

G  A (1.8)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten Từ (1.8) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn

hệ số định hướng Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được theo công thức sau:

A A

P  (1.9)

f Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyến ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức

xạ đẳng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP

T

T G P EIRP (W) (1.10) Trong đó: là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten

là hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten Công suất bức xạ đẳng hướng

là công suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem

=1 Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn

g Tính phân cực của anten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector

H

giá và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quat còn phân cực thẳng và tròn chỉ

là trường hợp riêng Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ, để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử

dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng

h Băng thông

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định” Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên 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

(1.11) Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bởi tỉ lệ phần trăm của sự sai khác tần số (tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông Ví

dụ, băng thông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông

(1.12) Bởi vì các đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức xạ, hệ số tăng ích, phân cực, … của anten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau Tùy từng ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn thế nào cho phù hợp

1.1.3 Phân loại anten

- Phân loại theo hình dạng:

+ Anten dây (wire antenna): dipole, loop (vòng), helix (lò xo)

+ Độ mở của anten: horn (loa), slot (khe)

+ Anten mạch in (printed antenna): patch (bảng), printed dipole, spiral (xoắn)

- Phân loại theo độ lợi(Gain):

+ Độ lợi lớn: dish (đĩa)

+ Độ lợi trung bình: horn

+ Độ lợi thấp: dipole, loop, slot, patch

- Phân loại theo búp sóng:

+ Đẳng hướng (Omnidirectional): dipole + Búp sóng nhọn (Pencil beam): dish

+ Búp sóng hình quạt (Fan beam): array (dãy)

- Phân loại theo độ rộng băng thông (Bandwidth):

+ Băng thông rộng: log, spiral, helix

+ Băng thông hẹp: patch, slot

Đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in “cấp cao”, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất Ta thấy mặt phẳng đất là mặt phản xạ Do đó, đường truyền vi dải có thể được xem như là đường truyền gồm 2 dây dẫn

Hình 1.11 Cấu trúc của đường truyền vi dải

Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền ε

r Độ dày của dải dẫn điện là t và điện dẫn suất là σ là các tham số kém quan trọng hơn và đôi khi có thể bỏ qua

b Cấu trúc trường của đường truyền vi dải

Sóng truyền trên đường truyền vi dải là sóng có dạng gần với TEM TEM) Điều này có nghĩa rằng có một vài vùng trong đó chỉ có một thành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng Hình 1.12 thể hiện giản đồ trường điện từ của một đường truyền vi dải cơ bản

(quasi-Hình 1.12 Giản đồ trường của một đường vi dải

Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ quasi-TEM xuất hiện, bởi vì mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí Các đường sức điện trường không liên tục tại mặt tiếp giáp này Điều kiện biên cho điện trường là thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục khi truyền xuyên qua biên; do

đó một chất nền có hằng số điện môi là 10, thì điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần

so với trong không khí Mặt khác, thành phần tiếp tuyến (song song với bề mặt dải dẫn điện) của điện trường cũng phải liên tục khi xuyên qua biên Do đó, một phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữ trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng đối với các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị hằng số điện môi không khí và hằng số điện môi của chất nền

1.2.2 Anten vi dải

a Giới thiệu chung

Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm

1953, Gutton và Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên mãi tới tận năm 1972 người ta

mới đi vào chế tạo các anten vi dải, bởi vì thời điểm này mới xuất hiện chất nền có các đặc tính tốt

Như được chỉ ra trong hình 1.13, anten vi dải với cấu hình đơn giản nhất bao gồm một patch phát xạ nằm trên một mặt của chất nền điện môi (ε

r<=10), mặt kia của chất nền là mặt phẳng đất Patch là vật dẫn điện, thông thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ, nhưng các hình dạng thông thường nói chung được sử dụng nhiều

Hằng số điện môi của chất nền đóng vai trò quan trọng nhất đối với hoạt động của anten Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, băng thông và hiệu suất của anten

Hình 1.13 Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất

Ưu điểm của anten vi dải

+ Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo + Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng

+ Mạng phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được in cùng với cấu trúc anten

Nhược điểm của anten vi dải

+ Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%)

+ Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian

+ Giới hạn độ tăng ích cực đại (~ 20 dB)

+ Hiệu suất bức xạ kém

+ Xuất hiện các sóng mặt

+ Công suất cho phép thấp

b Một số loại anten vi dải cơ bản

Anten patch vi dải

Anten có patch vi dải (microstrip patch antenna, MPA) bao gồm một patch dẫn điện có hình dạng phẳng hay không phẳng trên một mặt của một chất nền điện môi, và mặt phẳng đất trên mặt còn lại của chất nền Các cấu hình cơ bản mà được

sử dụng trong thực tế được chỉ ra trong hình 1.14(a)

(a) Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được sử dụng trong thực tế

b) Các hình dạng kiểu khác cho các anten patch vi dải Hình 1.14 Hình dạng anten patch vi dải

Anten dipole vi dải

Hình 1.15 Một vài dipole mạch in và vi dải

Anten khe mạch in

Các anten khe mạch in (printed slot antenna) có một khe được cắt trên mặt kim loại Khe này có thể có bất kỳ hình dạng nào Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của patch vi dải mà được chỉ ra trong hình 1.14 có thể được thực hiện lại trong dạng của một khe mạch in

Hình 1.16 Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện

Anten sóng chạy vi dải

Anten sóng chạy vi dải (microstrip traveling-wave antenna, MTA) gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải dài đủ rộng để hỗ trợ TE mode Điểm cuối kia của anten sóng chạy được mắc một tải có điện trở được phối hợp trở kháng

để tránh các sóng phản xạ trên anten

c Anten patch hình chữ nhật

Đây là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện phẳng bên trên một mặt phẳng đất Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải Phần tiếp điện đưa năng lượng điện từ vào và/hoặc ra khỏi patch Hình dưới đây thể hiện phân bố điện trường của anten patch hình chữ nhật được kích thích ở mode cơ bản

Trên hình 1.18a, điện trường bằng 0 ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten Điện trường mở rộng ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi – không khí Thành phần điện trưởng

mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò (leaky-cavity) Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hốc cộng hưởng

nmz Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự biến đổi của điện trường theo trục z coi như không đáng kể Do đó, kí hiệu TM

nm chỉ ra sự biến đổi của trường theo hướng x và y Sự biến đổi của trường theo hướng y hầu như không đáng kể, do đó m bằng 0 Trường biến đổi chủ yếu theo hướng x, do đó ở mode cơ bản thì n = 1

Hình 1.18b,c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên patch, dòng đạt cực đại tại tâm patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải; trong khi điện trường bằng 0 tại tâm patch và đạt cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải Từ biên độ của dòng và áp, ta có thể tìm được trở kháng (trong hình 1.18c) Trở kháng đạt cực tiểu ở giữa patch và cực đại ở gần 2 cạnh Có một điểm

nằm ở đâu đó dọc theo trục x, tại đó trở kháng là 50 Ω, ta có thể đặt điểm tiếp điện tại đó

a)

b)

c)

Hình 1.18 Anten patch hình chữ nhật (a) Phân bố trường ở mode cơ bản

(b) Phân bố dòng trên bề mặt patch