Anten phan cuc tron cho mang WLAN

Trong kĩ thuật vô tuyến truyền tin ăngten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong việc thu phát thông tin, hình ảnh, âm thanh...giữa các thiết bị cần kết nối.Trong hệ thống mạng không dây, loại ăngten đơn giản và được sử dụng nhiều nhất là ăngten dạng tấm phẳng. Khoá luận này trình bày về một loại ăngten như vậy: ăngten mạch dải tấm phẳng hình chữ nhật phân cực tròn. Ưu điểm đặc biệt của ăngten này là khi hướng thu thay đổi thì ăngten vẫn có thể bắt được tín hiệu. Lý thuyết đường dây được sử dụng để tính toán cho các thông số đặc trưng và kích thước của ăngten. Đó là mẫu ăngten được thiết kế nhằm phục vụ cho các ứng dụng trong hệ thống WLAN với tần số trung tâm f = 2.43GHz, thuộc băng tần thấp ISM (2.4000Ghz – 2.4835Ghz).

Đại học quốc gia hà nội trường đại học công nghệ

Nguyễn Gia Lợi

THIếT Kế Anten mạch dải phân cực tròn

DùNG CHO MạNG hệ wlan

Khoá luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành: Viễn thông

Hà nội – 2005

ĐạI HọC QuốC GIA Hà NộI TRƯờng đại học công nghệ

Nguyễn Gia Lợi

THIếT Kế ANTEN MạCH DảI PHÂN CựC

TÓM TẮT NỘI DUNG

Trong kĩ thuật vô tuyến truyền tin ăngten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong việc thu phát thông tin, hình ảnh, âm thanh giữa các thiết bị cần kết nối.Trong hệ thống mạng không dây, loại ăngten đơn giản và được sử dụng nhiều nhất là ăngten dạng tấm phẳng Khoá luận này trình bày về một loại ăngten như vậy: ăngten mạch dải tấm phẳng hình chữ nhật phân cực tròn Ưu điểm đặc biệt của ăngten này là khi hướng thu thay đổi thì ăngten vẫn có thể bắt được tín hiệu Lý thuyết đường dây được sử dụng để tính toán cho các thông số đặc trưng và kích thước của ăngten Đó là mẫu ăngten được thiết kế nhằm phục vụ cho các ứng dụng trong hệ thống WLAN với tần số trung tâm f = 2.43GHz, thuộc băng tần thấp ISM (2.4000Ghz – 2.4835Ghz)

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt bốn năm học vừa qua, dưới mái trường ĐHCông Nghệ - ĐHQG

Hà nội em đã học hỏi, trau dồi được nhiều kiến thức và biét bao nhiêu điều bổ ích

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hành

Hôm nay em đã hoàn thành xong bản khoá luận tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Anh đã giúp đỡ em biết cách hiểu và nghiên cứu đề tài này Em cũng xin chân thành cảm ơn anh Trần Ngọc Hưng đã nhiệt tình trực tiếp giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khoá luận Cảm ơn các anh chị trong phòng viễn thông

Nguyễn Gia Lợi

MỤC LỤC

TÓM TẮT NỘI DUNG

GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG I : HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĂNGTEN 3

1.1 Hệ phương trình Maxell 3

1.2 Các thông số đặc trưng của Ăngten 7

1.2.1 Trở kháng vào của Ăngten 7

1.2.2 Đồ thị phương hướng biên độ 7

1.2.3 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích 10

1.2.3.1 Hệ số định hướng 10

1.2.3.2 Hệ số tăng ích .11

1.2.3.3 Hàm phương hướng của hệ ăngten 12

1.2.4 Hệ số phẩm chất, độ rộng băng tần và hiệu suất 14

CHƯƠNG II :LÝ THUYẾT ĂNGTEN MẠCH DẢI 16

2.1 Những đặc tính cơ bản 16

2.2 Các phương pháp tiếp điện cho Ăngten mạch dải 18

2.3 Các phương pháp phân tích 20

2.4 Phân tích Ăngten mạch dải theo phương pháp hốc cộng hưởng 21

2.5 Phân cực tròn 32

CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĂNGTEN MẠCH DẢI PHÂN CỰC TRÒN DÙNG TRONG MẠNG WLAN 38

3.1 Lý thuyết đường dây 38

3.1.1 Hiệu ứng đường biên 38

3.1.2 Kích thước hiệu dụng và tần số cộng hưởng 39

3.1.4 Phối hợp trở kháng 42

3.2 Mô hình thiết kế và các kết quả 46

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 49

Phụ lục 1 Mô hình thiết kế ăngten mạch dải phân cực tròn sử dụng phần mềm

Ansoft Designer 49

Phụ lục 2 Hệ số phản xạ (RL) của ăngten 49

Phụ lục 3 Hệ số sóng đứng (VSWR) của ăngten 50

Phụ lục 4 Phân bố dòng trên bề mặt của ăngten 50

Phụ lục 5 Giản đồ bức xạ của ăngten 51

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1-1 Đồ thị phương hướng của ăngten trong tọa độ cực và toạ độ vuông góc 9

Hình 1-2 Đồ thị phương hướng của Ăngten 13

Hình 1-3 Băng tần 15

Hình 2-1 Ăngten mạch dải và hệ toạ độ 17

Hình 2-2 Các dạng ăngten điển hình 18

Hình 2-3 Các phương pháp tiếp điện 20

Hình 2-4 Các mạch điện tương đương ứng với các loại tiếp điện 20

Hình 2-5 Sự phân bố điện tích và hình thành mật độ dòng 21

Hình 2-7 Cấu hình trường ăngten mạch dải 26

Hình 2-8 Mật độ dòng tương đương cho bốn mặt bên 27

Hình 2-9 Khe bức xạ và mật độ dòng từ tương đương 29

Hình 2-10.Phổ bức xạ trên các mặt phẳng cơ sở 29

Hình 2-11a Mật độ dòng trong các khe của tấm mạch dải 30

Hình 2.11b Phổ bức xạ trên mặt phẳng E và H của ăngten mạch dải 32

Hình 2-12:Tạo phân cực tròn cho tấm tròn và tấm hình chữ nhật 33

Hình 2-13: Tạo phân cực tròn với tấm vuông,a) Tiếp điện vào góc tấm vuông

b) ,c) Tiếp điện bằng các cực dò dịch chuyển 35

Hình 2-14: Tạo phân cực tròn với khe nhỏ nằm giữa tấm 37

Hình 2-15: Tạo phân cực tròn với tấm vuông cắt góc và tấm Elíp 37

Hình 3-1 Đường vi dải, đường sức điện trường và hằng số điện môi hiệu dụng 39

Hình 3-2 Quan hệ giữa εreff và tần số 39

Hình 3-3 Chiều dài hiệu dụng và chiều dài vật lý của ăngten 40

Hình 3-4 Ăngten chữ nhật và phương pháp đường dây 41

Hình 3-5 Dẫn nạp G là một hàm của độ rộng khe 42

Hình 3-6 Phương pháp đường dây 45

GIỚI THIỆU

Hiện nay khoa học kỹ thuật phát triển hết sức nhanh chóng đặc biệt là kỹ thuật vô tuyến điện Trong sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến điện thì không thể không đề cập đến vấn đề thiết kế Ăngten

Năng lượng điện từ truyền trong không gian có thể thực hiện theo hai cách:

• Dùng các hệ truyền dẫn nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi… Sóng truyền trong hệ thống này gọi là sóng điện từ ràng buộc

• Bức xạ sóng ra không gian Sóng được truyền trong không gian là sóng điện từ

tự do

Ăngten là bộ phận không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào Ví

dụ như một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm: máy phát,máy thu, Ăngten phát, Ăngten thu Đường truyền năng lượng điện từ giữa máy phát và Ăngten phát cũng như giữa máy thu và Ăngten thu gọi là Fiđe Trong hệ thống này máy phát có nhiệm vụ tạo ra sóng điện từ cao tần để cấp cho Ăngten phát, Ăngten có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc truyền trong fiđe thành sóng điện từ tự do truyền trong không gian Cấu trúc của Ăngten phát sẽ quyết định đặc tính biến đổi của sóng điện từ trong không gian

Ăngten thu có nhiệm vụ thu sóng điện từ tự do trong không gian biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc trong fiđe Ăngten được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến điều khiển từ xa…

Ăngten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau Với các đài phát thanh và đài truyền hình thì Ăngten bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tin hiệu của đài phát Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển thì yêu cầu Ăngten bức xạ với hướng tính cao Tóm lại Ăngten là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống thông tin vô tuyến điện, không chỉ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện từ mà còn bức xạ theo hướng xác định

Sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin rađa điều khiển … cũng đòi hỏi Ăngten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu

Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị Ăngten được biểu diễn trong hình vẽ bên dưới

xạ

Hệ thống cảm thu Hệ thống gia công

tín

Máy thu

Thiết bị

xử lý tín hiệu

Thiết

bị điều chế Máy

phát

CHƯƠNG I : HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC THÔNG

SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĂNGTEN

Chúng ta khảo sát sơ bộ về hệ phương trình Maxell

Các phương trình Maxell dưới dạng vi phân có thể biểu diễn dưới dạng:

)(

)(

)(

IV H

div

III E

div

II H

i E rot

I J

E i H rot

e

e p

ερωµ

εp = −i , hệ số điện thẩm phức của môi trường;

ε , hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường, )

)

(

m

F met

ε

36

10 9 0

;

Đối với chân không,

culon

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một

số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm

vào hệ phương trình Maxell các đại lượng dòng từ và từ tích Tất nhiên các khái niệm này

chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không có thật trong thiên nhiên

Hệ phương trình Maxell khi không có dòng điện và điện tích ngoài nhưng có dòng

từ và từ tích ngoài được viết dưới dạng:

)(0

)(

)(

IV H

div

III E

div

II J

H i E rot

I E

i H rot

m

m p

µρ

ωµωε

vebe

; Như vậy, trong trường hợp tổng quát, hệ phương trình Maxell có thể được viết

dưới dạng:

m e

m

e p

H div

E div

J H i E rot

J E i H rot

(1.3)

Trường hợp nguồn trường là nguồn (J m=0; ρm=0) thì (1.3) sẽ trở thành (1.1); hoặc nếu chỉ bao gồm nguồn từ (J m =0; ρe =0) thì (1.3) sẽ trở thành (1.2) Lời giải của

hệ tổng quát sẽ nhận được bằng cách xếp chồng lời giải của hai hệ (1.1) và (1.2)

Để giải (1.1), ta đưa vào vector thế điện A e Theo (IV) trong hệ (1.1) ta có thể viết:

A i E

p grad div A i

A i H

ωµ

ωε + 1

−

= (1.7) Trường hợp nguồn trường bao gồm cả nguồn điện và nguồn từ, ta sẽ nhận được:

m e

p

e grad div A rot A i

A i

ωεµ

ω 1 (1.8)

e m

m

p grad div A rot A i

A i

ωµ

ωε 1 (1.9)

Thay các lời giải cho Evà H nhận được ở trên vào hai phương trình đầu của (1.3)

ta sẽ nhận được phương trình sóng của các vector thế điện và từ:

∆

−

=+

∆

m m m

e e e

J A k A

J A k A

2 2

(1.10)

ở đây, ∆A=grad div A−rot rot A

v

k=ω εpµ =ω

( v là vận tốc pha của sóng trong môi trường)

Các biểu thức (1.10) cho ta lời giải dưới dạng thế chậm:

V

ikr m e m

r

e J

4

1

π ( 1.11)

r là khoảng cách từ điểm xác định A ehoặc A m đến điểm nguồn, nghĩa là đến điểm

có dòng điện hoặc dòng từ trong thể tích V

ikr

e− là số hạng biểu thị góc chậm pha của vector thế A e và A m ở khoảng cách r so

với nguồn Trong đó kr là góc chậm pha, k là hệ số chậm pha Đối với chân không:

0 0

2

λ

πω

=

=

=

c k k

là vận tốc ánh sáng trong chân không

s m

c=3.108 /

0

λ là bước sóng trong chân không

Nếu dòng điện hoặc dòng từ phân bố trên mặt S thì các thế chậm sẽ được tính theo công thức:

r

e J

r

e J

4

1

π (1.13) Phân bố trường sẽ được xác định khi tính các vector thế chậm theo các công thức trên

1.2 Các thông số đặc trưng của Ăngten

1.2.1 Trở kháng vào của Ăngten

Trở kháng vào của Ăngten là giá trị điện trở đầu vào tại điểm tiếp điện của Ăngten mạch dải.Giá trị đó không thay đổi hoặc nếu thay đổi thì cũng thay đổi chút trong khoảng

băng tần hoạt động của Ăngten

1.2.2 Đồ thị phương hướng biên độ

Như phân tích ở trên, trường bức xạ của dòng điện và dòng từ có cường độ phụ thuộc vào hướng khảo sát Ta gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướng khảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi là hàm phương hướng của hệ thống bức xạ và ký hiệu là f(θ,ϕ)

Trong trường hợp tổng quát, hàm phương hướng là hàm vectơ phức, bao gồm các thành phần theo θ và ϕ

f(θ,ϕ) = fθ(θ,ϕ)iθ + fϕ(θ,ϕ)iϕ (1.14)

[ θ ϕ θ ϕ θ ϕ

π R W G G i W G G i

e ik

Ta có:

f(θ,ϕ) = (WGθe+Gϕm)iθ + (WGϕe −Gθm)iϕ (1.16) hiển nhiên:

m e

G WG f

G WG f

θ ϕ ϕ

ϕ θ θ

ϕθ

ϕθ) , (

) , (

4),(

e ik f

R

e ik E

ikR ikR

θ

ϕθϕ

m f

i

m e i f e f

i f

f( , )= ( , )= arg + arg (1.19)

trong đó fθmvà fϕmlà biên độ các hàm phương hướng phức và fθ fϕ

Biên độ của các hàm phương hướng có quan hệ với phân bố biên độ của các thành phần trường, còn argumen có quan hệ với phân bố pha của trường trên một mặt cầu có bán kính R, tâm đặt tại gốc tọa độ

Trường hợp hệ thống bức xạ chỉ bao gồm dòng điện hoặc dòng từ thì hàm phương hướng

có dạng đơn giản và có thể tính trực tiếp từ hàm bức xạ

Hàm phương hướng biên độ.

Hàm phương hướng biên độ được định nghĩa là biên độ của hàm phương hướng phức Trong trường hợp tổng quát thì biên độ của hàm phương hướng có thể là các hàm

có dấu biến đổi khi θ,ϕ thay đổi Do đó hàm phương hướng biên độ được định nghĩa cụ thể hơn là modun của hàm phương hướng phức:

Đồ thị không gian biểu thị sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường được

gọi là đồ thị phương hướng (hay giản đồ hướng tính) không gian Nói chung dạng của các

đồ thị không gian khá phức tạp Vì vậy, trong thực tế ta thường biểu thị đặc tính phương hướng bởi các đồ thị mặt phẳng, nghĩa là bởi thiết diện của đồ thị phương hướng không gian trong các mặt cắt nào đó Các mặt cắt này sẽ được chọn sao cho nó phản ánh được đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ

Ví dụ khi đồ thị phương hướng có dạng một vật tròn xoay thì có thể chọn mặt cắt

là mặt phẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị khi đồ thị phương hướng có dạng phức tạp hơn thì mặt cắt thường được chọn là hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua hướng cực đại của đồ thị phương hướng Hướng của trục hệ toạ độ cầu về nguyên tắc có thể

chọn tuỳ ý nhưng thường được chọn sao cho thích hợp với dạng của đồ thị phương hướng Nếu đồ thị phương hướng có trục đối xứng thì tốt nhất là trục toạ độ cũng trùng với trục ấy Trong các

trường hợp khác thì sẽ chọn trục toạ độ trùng với hướng cực đại của đồ thị phương hướng Biểu thị đồ thị phương hướng trong mặt cắt của đồ thị không gian như trên là biểu thị trong hệ toạ độ cực

Hình 1-1 Đồ thị phương hướng của ăngten trong tọa độ cực và toạ độ vuông góc

Ngoài ra, có thể biểu diễn đồ thị phương hướng mặt phẳng theo hệ toạ độ vuông góc Khi ấy, các giá trị của fθ và fϕ có thể được biểu thị theo thang tỷ lệ thông thường,

hoặc theo thang tỷ lệ logarit

Trong thực tế, để thuận tiện cho việc thiết kế và phân tích đồ thị phương hướng

người ta thường dùng đồ thị phương hướng chuẩn hoá Khi ấy, hàm phương hướng chuẩn

hoá được quy ước là hàm phương hướng (theo định nghĩa) chia cho giá trị cực đại của modun lấy theo giá trị tuyệt đối Ký hiệu hàm này là F(θ,ϕ), ta có:

max

),(

),()

,(

ϕθ

ϕθϕ

),()

,()

,(

),(

),()

,()

,(

ϕθ

ϕθϕ

θϕ

θ

ϕθ

ϕθϕ

θϕ

θ

ϕ

ϕ ϕ

ϕ

θ

θ θ

θ

m

m m

m

m m

f

f F

F

f

f F

F

(1.24)

Để so sánh đồ thị phương hướng của các ăngten khác nhau, ta đưa ra khái niệm độ

rộng của đồ thị phương hướng Theo định nghĩa, độ rộng của đồ thị phương hướng là góc

giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi đến một giá trị nhất định Thường độ rộng của đồ thị phương hướng được xác định ở hai mức: bức xạ không và bức xạ nửa công suất

Độ rộng của đồ thị phương hướng theo mức không là góc giữa hai hướng mà theo

đó cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không

Độ rộng của đồ thị phương hướng theo mức nửa công suất là góc giữa hai hướng

mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với cường độ trường giảm đi 2lần

Trong lý thuyết ăngten còn đề cập đến hàm phương hướng, hàm phương hướng cực tính, hàm phương hướng vectơ phức hợp song trong khảo sát thực tế, trừ một vài trường hợp đặc biệt, chúng ta chỉ cần quan tâm đến đồ thị phương hướng biên độ

1.2.3.1 Hệ số định hướng

Hệ số định hướng của ăngten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất bức xạ bởi ăngten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi ăngten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai ăngten như nhau

Ăngten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn nguyên tố nào đó đã biết Nếu lấy ăngten chuẩn là nguồn vô hướng thì hệ số định hướng

có thể được định nghĩa như sau:

Hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của ăngten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở

hướng và khoảng cách như trên khi giả thiết ăngten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp

0

1 1 1

1

),(),(

S

S

Dθ ϕ = θ ϕ

(1.25) trong đó,

) ,

S 0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết ăngten bức xạ đồng đều theo các hướng

Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc ăngten

Tính toán cuối cùng cho ta:

) , ( sin

) , (

) , ( 4

1 1

2 max 0

2 0 2

1 1

2

ϕθϕ

θθϕθ

ϕθπ

m

d d F

F

∫ ∫ (1.26)

ở đó, Dmax là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại

là hàm phương hướng chuẩn hoá

),

Hiệu suất của ăngten cũng là một thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn

hao công suất của ăngten Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào ăngten:

Trường hợp hai ăngten có công suất đặt vào như nhau, bằng P0 thì ăngten thực (hiệu suất ηA<1) sẽ có công suất bức xạ ηAP0 Như vậy so với khi công suất bức xạ bằng nhau thì trong trờng hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng ηA

Ta có biểu thức hệ số tăng ích của Ăngten :

),()

,()

,(

0

ϕθηϕθηϕθ

1.2.3.3 Hàm phương hướng của hệ ăngten

Trong kỹ thuật ăngten, muốn tạo ra các đồ thị phương hướng hẹp thường không thể dùng một phần tử đơn giản mà phải sử dụng hệ thống phức tạp gồm nhiều ăngten đơn giản

Các ăngten đơn giản ở đây có thể là các nguồn bức xạ có hướng hay vô hướng và được xếp đặt trong không gian theo một trật tự nhất định Để việc phân tích hướng tính hệ thống ăngten để thuận tiện ta khảo sát lý thuyết về nhân đồ thị phương hướng Biểu thức tổng quát đối với trường bức xạ (ở khu xa) của nguồn bức xạ bất kỳ được xác định bởi:

π R f

e ik E

n

ikR N n

N n

R

e ik E

Rn là khoảng cách từ tâm pha của phương trình thứ n đến điểm khảo sát

fn(θ,ϕ) là hàm phương hướng của phần tử thứ n

Nếu giả thiết điểm khảo sát ở khu xa thì trong biểu thức trên có thể thay thế:

trong đó: R là khoảng cách từ điểm khảo sát đến gốc toạ độ của hệ thống,

rn là bán kính của tâm pha phần tử thứ n

ikR

f e

R

e ik

So sánh (1.33) và (1.29) có thể rút ra hàm phương hướng của hệ thống N phần tử

Nếu ký hiệu hàm này bởi f N(θ,ϕ) thì:

1.2.4 Hệ số phẩm chất, độ rộng băng tần và hiệu suất

Ba đại lượng này cho ta cái nhìn tổng quát nhất về ăngten, chúng có mối quan hệ

chặt chẽ với nhau và không thể có sự tối ưu đồng thời Điều đó có nghĩa là người thiết kế

phải thoả hiệp để đưa ra một cấu hình hiệu quả nhất Hệ số phẩm chất liên quan đến các

đại lượng suy hao (do bức xạ, kháng trở, vật dẫn điện môi và sóng bề mặt) Kí hiệu hệ số

phẩm chất là Q t ta có

Q

1 Q

1 Q

1 Q

1 Q

1

sw d

c rad t

+ + +

Do lớp điện môi rất mỏng, suy hao do sóng mặt nhỏ không đáng kể và có thể bỏ qua, các

đại lượng còn lại

µσ

πf h

2 Q

t

r rad

εω

= (1.38)

tan δ là góc suy hao do vật liệu điện môi, σ là độ dẫn điện liên quan đến tấm phẳng bức

xạ và mặt đế, G t /l là tổng độ dẫn trên một đơn vị dài của góc bức xạ và

dl E

dA E

K (1.39) với ăngten chữ nhật

Độ rộng băng tần tỷ lệ nghịch với hệ số phẩm chất

Q

1 f

f

t o

1 VSWR f

f

t o

/ 1

Q / 1 e

rad

t t

rad cdsw = = (1.41)

Hình 1-3 Băng tần

CHƯƠNG II :LÝ THUYẾT ĂNGTEN MẠCH DẢI

Các chi tiết cấu tạo trong máy bay siêu thanh, tàu vũ trụ, vệ tinh cũng như các ứng dụng tên lửa… phải được thiết kế một cách tối ưu thì ăngten mạch dải là giải pháp thu phát lý tưởng Ngày nay, ăngten mạch dải xuất hiện trong hầu hết các thiết bị thông tin và truyền thông nhất là lĩnh vực kết nối không dây Đây là loại ăngten có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với mọi loại hình dạng , đơn giản và rẻ tiền nhờ sử dụng công nghệ mạch in Tuỳ theo cấu tạo khác nhau để có được sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, độ phân cực, kiểu bức xạ, trở kháng làm việc…Người ta có thể thêm những phần trở tải giữa mặt phát

xạ và mặt đế ( VD như diodes, adaptors,…) để có được các thông số mong muốn

Tuy nhiên, nhược điểm của loại ăngten này là công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một hoặc vài phần trăm) Ta có thể nâng hiệu suất bằng cách tăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thể tăng 35% Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảm công suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờ giới hạn bởi lớp điện môi và lớp đế, làm giảm đặc tính phân cực, phát xạ của ăngten Sóng này có thể loại trừ mà vẫn giữ được dải tần rộng nếu sử dụng phương pháp hốc cộng hưởng Khi

đó dải tần được mở rộng đáng kể, có thể lớn hơn dải tần UHF và đây sẽ là sự thoả hiệp giữa dải tần và độ rộng búp sóng

2.1 Những đặc tính cơ bản

Ăngten mạch dải gồm một tấm phẳng kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do λo) đặt trên một lớp điện môi có độ dày h (0.003λo ≤ h ≤ 0.05λo) dưới cùng là lớp đế bằng đồng Cấu hình trường (mode hoạt động) sẽ quyết định hướng bức xạ của ăngten Ăngten hình chữ nhật , độ dài L (trong khoảng λo/3 < L < λo/2) được mô tả trên hình 2.1(a)

Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi εr

từ 2.2 ÷ 12 Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của ăngten: dải tần rộng hơn, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước ăngten sẽ lớn hơn Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thích hợp với các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước ăngten nhỏ hơn, nhưng hiệu suất thấp, suy

hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn Trong khi đó, ăngten mạch dải thường tích hợp với mạch vi sóng nên bắt buộc phải có sự thoả hiệp

(a) Ăngten mạch dải

có độ định hướng cao, khả năng phủ sóng rộng, phân cực thẳng hoặc tròn

2.2 Các phương pháp tiếp điện cho Ăngten mạch dải

Có bốn phương pháp tiếp điện phổ biến là: đường vi dải, đầu dò đồng trục, khẩu độ mối ghép và xấp xỉ mối ghép (hình 2-3) Các mạch tương đương của mỗi phương pháp được mô tả trên hình 2-4 Đường vi dải có độ rộng nhỏ hơn nhiều so với phần tử bức xạ,

dễ thực hiện nhưng độ dày lớp điện môi tăng sẽ sinh ra sóng bề mặt cũng như ảnh hưởng

do bức xạ nguồn nuôi làm giảm dải tần hoạt động xuống khoảng 2-5%

Phương pháp đầu dò đồng trục: Lớp kim loại bên trong trục được nối với khe bức

xạ còn lớp bên ngoài được nối với mặt đế Ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi thấp nhưng khó thực hiện, dải tần hẹp (nhất là với lớp điện môi dày h > 0.02λo)

Hai phương pháp này có cấu trúc bất đối xứng sinh ra bức xạ xiên Để giải quyết vấn đề này, phương pháp khẩu độ mối ghép không tiếp xúc được mô tả trên hình 2-3(c,d) Khẩu độ mối ghép như hình 2-3(c) cũng có dải tần hẹp, dễ thực hiện và có ảnh hưởng bức

xạ vừa phải Khẩu độ mối ghép gồm hai lớp điện môi ngăn cách nhau bởi mặt đế Dưới đáy lớp điện môi bên dưới có một đường vi dải được ghép với phần tử bức xạ qua một khe trên mặt đế Cách làm này triệt tiêu ảnh hưởng bức xạ do nguồn nuôi Thông thường, lớp điện môi bên dưới có hằng số điện môi cao hơn lớp bên trên Ghép nối được thực hiện bằng cách phối hợp độ rộng đường dây với độ dài khe

Lớp điện môi

W

L

Khe bức xạ

h

Mặt đế

(a) đường vi dải

Phần tử bức xạ Lớp điện môi

Mối ghép

đồngtrục

Mặt đế

(b) đầu dũ đồng trục

Phần tử bức xạ

Đường vi dải Khe

PhÇn tö bøc x¹

§−êng vi d¶i

Có rất nhiều phương pháp phân tích cấu trúc ăngten mạch dải trong đó phải kể đến

các phương pháp điển hình như: đường dây, hốc cộng hưởng, toàn sóng Phương pháp

đường dây đơn giản nhất nhưng kém chính xác và khó thực hiện ghép nối Phương pháp hốc cộng hưởng tỏ ra chính xác hơn nhưng khá phức tạp, tuy có đưa ra được một số bản chất vật lý Trong các ứng dụng, phương pháp toàn sóng rất chính xác, linh hoạt, có thể áp dụng cho các phần tử riêng rẽ, mảng các phần tử hữu hạn, vô hạn, có hình dạng đơn giản hay bất kỳ…tuy nhiên đây lại là phương pháp rất phức tạp Vì thế, trong khuôn khổ của chương này, ta chỉ tập trung mô tả hai phương pháp đầu tiên, áp dụng cho cấu trúc hình chữ nhật và hình tròn, các kết quả thu được có tham khảo phương pháp toàn sóng để tăng

độ chính xác cần có

2.4 Phân tích Ăngten mạch dải theo phương pháp hốc cộng hưởng

Có thể xem ăngten mạch dải là lớp vật liệu điện môi giống như các hốc biểu diễn

sự cộng hưởng bậc cao Trường điện từ bên trong lớp điện môi có thể xác định một cách chính xác nếu coi đây là một hốc cộng hưởng giới hạn bởi các vật dẫn điện (tấm phẳng

phát xạ và mặt đế) và các bức tường từ dọc theo kích thước của phần tử bức xạ Đây là

phương pháp xấp xỉ tạo ra trở kháng lối vào “tương tác” (cho trường hợp giá trị cộng hưởng bằng không hoặc bằng ∞) mà không phát xạ công suất

Để tìm hiểu phương pháp này, ta sẽ biểu diễn và giải thích ý nghĩa vật lý các trường điện từ bên trong hốc cộng hưởng cũng như sự bức xạ của nó sang các mặt bên

Khi tấm phẳng bức xạ được tích điện, quá trình phân bố điện tích sẽ diễn ra ở mặt trên

và mặt dưới của phần tử này cũng như trên bề mặt lớp đế (hình 2-5) sự phân bố này được

thực hiện theo hai cơ chế: “hút” và “đẩy” Cơ chế “hút” xảy ra giữa các điện tích trái dấu

ở mặt dưới phần tử bức xạ và mặt đế, làm cho các điện tích này tập trung ở mặt dưới phần

tử bức xạ Cơ chế “đẩy” sẽ đẩy các điện tích cùng dấu vòng qua gờ bức xạ lên mặt trên

Sự dịch chuyển dòng điện tích này tạo ra các mật độ dòng J b , J t tương ứng tại mặt dưới và mặt trên của phần tử bức xạ (hình 2-5)

Các ăngten mạch dải thường có tỷ lệ h/W rất nhỏ nên cơ chế “hút” sẽ trội hơn Hầu như toàn bộ điện tích và dòng điện được giữ bên dưới khe bức xạ, chỉ có một lượng nhỏ điện tích ở phía trên, dòng này sẽ giảm nếu tỷ số h/W giảm Tại một giới hạn nào đó, dòng trên bề mặt khe bức xạ sẽ bằng không, không làm sinh ra thành phần từ trường tiếp tuyến với gờ bức xạ (thực tế tỷ số h/W vẫn tồn tại với một tỷ số nào đó dù rất nhỏ nên vẫn xuất hiện thành phần tiếp tuyến này) Như vậy, có thể coi mặt bên lớp điện môi như vật dẫn từ lý tưởng Kết quả là, bên dưới phần tử bức xạ, quá trình phân bố điện trường và từ trường diễn ra một cách bình thường

h

-

-+ -+ -+ + + + + +

Do vậy, cách xấp xỉ tốt nhất của phương pháp hốc cộng hưởng là coi các mặt bên dẫn từ lý tưởng, tạo ra các mode hoạt động bên dưới phần tử bức xạ

Để tính toán quá trình bức xạ, người ta đưa ra hai đại lượng là trở kháng bức xạ Rr và trở kháng suy hao RL Hai điện trở này khiến trở kháng vào là một hàm phức, thành phần ảo

sẽ mô tả quá trình bức xạ và độ dẫn điện môi suy hao

Độ suy hao của ăngten được tính bởi góc suy hao hiệu dụng δ eff , góc này được chọn phù hợp với cơ chế suy hao trong hốc cộng hưởng tương đương với hệ số phẩm chất

của ăngten Q )

Q

1 (δeff = Do kích thước của mạch dải rất mỏng nên có thể coi sóng điện

từ sinh ra trong lớp điện môi bị phản xạ khi chúng đến gờ bức xạ, chỉ có một phần nhỏ năng lượng điện từ được bức xạ ra ngoài và ăngten hoat động như vậy không hiệu quả Trường điện từ dạng sóng đứng có thể biểu diễn bởi hàm cosine

Bề dày lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng truyền nên từ trường không thay đổi, hiệu ứng đường biên tại gờ bức xạ là không đáng kể trong khi điện trường hoạt động chủ yếu trên bề mặt phần tử bức xạ Như vậy chỉ có mode hoạt động sinh ra bởi từ trường (kí

hiệu là TM x ) được đề cập đến trong cấu trúc hốc cộng hưởng

A Cấu hình trường TM x

Cấu hình trường trong hốc cộng hưởng được xác định bằng vectơ thế Theo hình 2-6, thể tích dưới tấm phẳng được xem như một hốc cộng hưởng hình chữ nhật bao bởi lớp điện môi có hằng số εr Kích thước lớp điện môi giới hạn bởi các gờ bức xạ, vectơ thế

Ax phải thoả mãn phương trình sóng đồng nhất tương ứng

(2.1)

0 A k

B ) y k cos(

A ) x k sin(

B ) x k cos(

A A

z 3

z 3

y 2

y 2

x 1

x 1

x

+

⋅

++

=

(2.2)

k x , k y , k z là số bước sóng tương ứng dọc theo các trục x, y, z được xác định bởi các

điều kiện biên