Nghiên cứu tính chất bức xạ điện từ các anten có cấu trúc vi dải

Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng Dθ,ϕ mô tả kiểu bức xạ v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Quốc Tự Kiều

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Quốc Tự Kiều

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ TRUNG KIÊN

Hà Nội - 2017

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới TS Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn này

Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến, các thầy, các cô trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội Cảm ơn các thầy, các cô đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như tại bộ môn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân cùng các bạn trong bộ môn, các bạn cùng làm thực hành tại bộ môn những người đã giúp đỡ, chia sẻ và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Trần Quốc Tự Kiều

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 9

1.1 Giới thiệu chung về anten 9

1.2 Hệ phương trình Maxwell và nghiệm 11

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten 13

1.4 Các thông số đặc trưng của anten 13

1.4.1 Hàm tính hướng 13

1.4.2 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng 14

1.4.3 Giản đồ bức xạ 16

1.4.4 Trở kháng vào của anten 19

1.4.5 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích 20

1.4.6 Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ 21

1.4.7 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 23

1.4.8 Hiệu suất của anten 23

1.4.9 Tính phân cực của anten 24

Chương 2 ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MẢNG VI DẢI 26

2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 26

2.1.1 Định nghĩa về anten vi dải 26

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải 27

2.1.3 Ưu và nhược điểm của anten vi dải 28

2.1.4 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải 29

2.1.5 Trường bức xạ của anten vi dải 29

2.1.6 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 30

2.1.7 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 31

2.2 Anten mảng vi dải 34

2.2.1 Định nghĩa anten mảng vi dải 34

2.2.2 Hệ thống tiếp điện của mảng anten vi dải 35

Chương 3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIÊU CAO TẦN ADS VÀ

MATLAB 40

3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng ADS (Advanced Design System) 40

3.2 Các thông số cần thiết trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải và mảng anten vi dải 40

3.2.1 Chiều rộng patch 41

3.2.2 Chất nền 41

3.2.3 Kỹ thuật tiếp điện 42

3.2.4 Điện dẫn 43

3.2.5 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng 45

3.3 Thiết kế và mô phỏng anten vi dải sử dụng phần mềm mô phỏng ADS và Matlab 47

3.3.1 Mô phỏng anten đơn 48

3.3.2 Mô phỏng mảng anten 49

3.3.3 Kiểm tra các thông số của anten vi dải 50

3.3.4 Kiểm tra các thông số quan trọng của mảng an ten vi dải 52

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số anten thiết kế 40

Bảng 3.2: Các thông số sau tính toán của anten vi dải 47

Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ rộng khe (Gpf) 50

Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ dày lớp điện môi (h) 51

Bảng 3.5: Thông số hệ số phản xạ theo tần số của anten vi dải và mảng anten

vi dải 53

Bảng 3.6: Độ lợi và độ định hướng của anten đơn và mảng anten 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Anten - thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ 9

Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ vuông góc 15

Hình 1.3: Đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực 15

Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phương hướng 16

Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten 16

Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten 17

Hình 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa 17

Hình 1.8: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính 18

Hình 1.9: Sự quay của vector điện trường 24

Hình 1.10: Các loại phân cực 25

Hình 2.1: Cấu tạo anten vi dải 26

Hình 2.2: Trường bức xạ E và H của anten vi dải 27

Hình 2.3: Điện trường của anten vi dải nhìn từ trên xuống 30

Hình 2.4: Điện trường của anten nhìn ngang 30

Hình 2.5: Các dạng anten vi dải thông dụng 30

Hình 2.6: Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 32

Hình 2.7: Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 33

Hình 2.8: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled 33

Hình 2.9: Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled 34

Hình 2.10: Dàn anten 4 phần tử 35

Hình 2.11: Phối hợp trở kháng bằng đoạn phần tư bước sóng 35

Hình 2.12: Mảng anten tiếp điện nối tiếp 8 phần tử 37

Hình 2.13: Cấu trúc mảng anten tiếp điện song song 8 phần tử 38

Hình 2.14: Hệ thống tiếp điện song song 2 chiều 39

Hình 3.1: Lưu đồ tính toán thông số 41

Hình 3.2: Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 43

Hình 3.3: Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền 44

Hình 3.4: Patch hình chữ nhật 46

Hình 3.5: Khởi tạo các giá trị ban đầu 48

Hình 3.6: Tạo file lưu trữ thông số của chất nền và thiết lập độ dày cho chất nền 48

Hình 3.7: Thiết lập dải tần số hoạt động của anten 49

Hình 3.8: Tạo file chứa anten vi dải 49

Hình 3.9: Tạo đường truyền cho mảng anten vi dải 50

Hình 3.10: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ rộng khe 51

Hình 3.11: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ dày lớp điện môi 52

Hình 3.12: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của anten vi dải 52

Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của mảng anten

vi dải 53

Hình 3.14: Đồ thị dải băng thông của thiết kế anten vi dải 54

Hình 3.15: Đồ thị dải băng thông của thiết kế mảng anten vi dải 54

Hình 3.16: Đồ thị bức xạ của anten vi dải 55

Hình 3.17: Đồ thị bức xạ của anten mảng vi dải 55

Hình 3.18: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của anten vi dải 56

Hình 3.19: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của mảng anten vi dải 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DCS Digital Communication System

PCS Personal Communication System

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

WLAN Wireless Local Area Network

ADS Advanced Design System

MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, bên cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten như độ bền, trọng lượng anten phải nhẹ, kích thước anten phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point hay các thiết

bị di động Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng 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, 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 xuất bản trong nhiều tài liệu liên quan [7] 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 nên việc mở rộng băng thông thường

là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải

Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu đường truyền vi dải có đường dây dẫn vào bằng phần mềm mô phỏng siêu cao tần ADS (Advanced Design System) và Matlab nhằm làm

rõ những đặc trưng cơ bản như đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng … của anten

vi dải

Luận văn được trình bày thành ba chương Chương 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về anten: giới thiệu chung, các đặc tính, thông số đặc trưng của anten…

Chương 2 tìm hiểu và trình bày về anten vi dải và anten mảng vi dải: cấu tạo, nguyên lý hoạt động của anten vi dải, kỹ thuật tiếp điện…Chương 3 trình bày về phần mềm ADS, kết quả thiết kế và mô phỏng mộtanten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu đường truyền vi dải có đường dây dẫn vào bằng phần mềm mô phỏng siêu cao tần ADS và Matlab

Tuy nhiên do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết

bị, tài liệu do đó luận văn này còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và chỉnh sửa mong các quý thầy cô và bạn đọc đóng góp và chỉ bảo thêm

Chương 1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu chung về anten

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được 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 kim loại hoặc điện môi v.v Sóng điện từ lan truyền trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

- Bức xạ sóng ra không gian dưới dạng sóng điện từ tự do

Như vậy, thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài được gọi là anten[1] Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device)

Hình 1.1: Anten- thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ [3]

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 feeder Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo feeder 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 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 và không gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy, anten

là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện, đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp [3] Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:

* Anten đường: là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi nơi như ô tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, Nó gồm anten đường thẳng (anten lưỡng cực), anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix) Trong đó anten vòng không những có dạng tròn

mà còn ở dạng vuông, chữ nhật, ellip, nhưng anten vòng tròn thì được sử dụng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản

*Anten góc mở: nó có dạng như hình nón, hình kim tự tháp hay ống dẫn sóng Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trước đây vì nhu cầu hình thức anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn Loại anten này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ

*Anten vi dải: anten này gồm một miếng kim loại mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi Miếng kim loại có thể có nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn, Anten này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm tay,

* Antenmảng: nhiều ứng dụng đòi hỏi các đặc tính bức xạ mà không thể đạt được ở một anten duy nhất Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc tính bức xạ của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả mong muốn

* Anten phản xạ: do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng cách lớn, hình thức anten tinh vi đã được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi hàng triệu dặm Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc

* Anten ống kính: ống kính được sử dụng chủ yếu để chuẩn trực năng lượng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hướng không mong muốn Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lượng khác nhau vào sóng mặt

Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hướng (Omni-Directional) và anten định hướng (Directional) Anten vô hướng là anten truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hướng theo trục ngang (song song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết Anten định hướng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng D(θ,ϕ) (mô tả kiểu bức xạ) và độ lợi G(θ,ϕ) (cho ta biết sự tổn hao của nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ)

Với nhu cầu ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, trong các hệ thống thông tin

vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, thông tin viễn thông…nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ

tự do mà còn phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật cho trước Trong trường hợp tổng quát hiện nay, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (anten thu) [1]

1.2 Hệ phương trình Maxwell và nghiệm

Lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học đó là các phương trình Maxwell Những phương trình Maxwell đã mở

ra khả năng có thể tạo được sóng điện từ trong không gian [6]

Ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian, tức là tuân theo quy luật sinωt, cosωt hoặc viết dưới dạng số phức Khi đó vector tức thời của cường độ điện trường được biểu diễn như sau:

̅ ̅ )= ̅ (1.1a) Hoặc ̅ ̅ )= ̅ (1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân sẽ được viết dưới dạng sau

̅ ̅ ̅ (1.2a)

̅ là biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m);

̅ là biên độ phưc của vector cường độ từ trường (A/m);

(

)là hệ số điện thẩm phức của môi trường; (1.3)

ε là hệ số thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m);

μ là hệ số từ thẩm của môi trường (H/m);

σ là điện dẫn suất của môi trường (Si/m);

̅ là biên độ phức của vector mật độ dòng điện (A/m2);

là mật độ khối của điện tích (C/m3);

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện tích 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 Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trong thiên nhiên Như vậy hệ phương trình Maxwell trong trường hợp tổng quát sẽ được viết lại như sau:

̅ ̅ ̅ (1.4a) ̅ ̅ ̅ (1.4b)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H Trong phương trình nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền [2]

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc

từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để rõ hơn về vấn đề này ta có thể xét một ví dụ với mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước nhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng

từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm [2]

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự

do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng có ích) Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng hao phí [2]

1.4 Các thông số đặc trưng của anten

1.4.1 Hàm tính hướng

Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vô hướng hay có hướng, và ở hướng nào anten bức xạ là cực đại, hướng nào anten không bức xạ để có thể đặt đúng vị trí anten Muốn vậy ta phải biết tính hướng của anten đó Một trong các thông số đặc tả hướng tính của anten là hàm tính hướng

Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được ký hiệu là f(θ,φ)

f F

Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten) Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ Thông thường, đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều.Đó là

đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại

đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy

Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ vuông góc

Hình 1.3: Đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực

Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten Nó cho phép

so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau

Từ đồ thị phương hướng trên Hình 1.3 nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độ rộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điện trường giảm đi √ lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo một hướng nào đó [6]

 o 0,25

0,50 0,75 1,0

P

2 /

Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phương hướng [6]

1.4.3 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 hai chiều (2D) hay ba chiều (3D) 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 cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong Hình 1.5

Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [3]

* 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

antenthực.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 1.6 Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với * + và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [ ]

Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [3]

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 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [3]

* Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra Búp sóng dọc được

đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao

Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10 dB

so với giá trị cực đại 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 1.8a 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

(a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten [3]

(b) Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó [3]

Hình 1.8: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính [3]

Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính): Được định nghĩa là thùy chứa

hướng bức xạ cực đại Trong Hình 2.9, 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 Thông 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 180o so với thùy chính

Thùy phụ thường 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 Tỷ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên

1.4.4 Trở kháng vào của anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fedơ, anten sẽ trở thành tải của máy phát hoặc máy thu Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là trở kháng vào của anten (ZA) Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một đại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân

bố dòng điện và điện áp dọc theoanten (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

1.4.5 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích

* Hệ số định hướng

Bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đúng hướng (Isotropic) Độ định hướng của anten được định nghĩa như là tỉ số của của cường độ bức xạ ở một hướng cho trước trên cường độ bức xạ trung bình ở mọi hướng.Trong trường hợp không đề cập đến hướng cụ thể thì được hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực đại

Độ lợi của antenG là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho trước

và cường độ thu được nếu công suất đưa vào anten được bức xạ đúng hướng

Nếu anten không tổn hao, Pin=Prad thì =

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa dây truyền sóng và anten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên anten (do điện môi, sai phân cực), công suất bức xạ (Prad) của anten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (Pin):

Prad<Pin Vì vậy trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng

Để biểu diễn mối quan hệ giữa Pin và Prad người ta dùng khái niệm hiệu suất bức xạ Kí hiệu e

, e (1.14)

W = ⃗ ⃗⃗ (1.16) Trong đó:

W: vector Poynting tức thời (W/m2)

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 tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó Phương trình là:

(1.17) Trong đó:

P: tổng công suất tức thời (W)

̂: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

Da: vi phân diện tích của bề mặt

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng ejωt, ta định nghĩa các trường phức

E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H bởi công thức:

(1.18) (1.19)

Do [* [ ]+ [ ]] nên (2.14) được viết lại như sau:

(1.20) Thành phần đầu tiên của (1.20) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước Vector Poynting trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình) có thể được viết lại là:

(1.21) Thành phần xuất hiện trong (1.20) và (1.21) bởi vì các trường E và H tính theo biên độ

Dựa trên định nghĩa (1.21), công suất trung bình bức xạ bởi anten (công suất bức xạ) có thể được định nghĩa là:

(1.22)

*Cường độ bức xạ

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “năng lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc” Cường độ bức xạ là tham số trường xa và được tính bằng cách đơn giản là nhân mật độ bức xạ với bình phương của khoảng cách

Trong đó: η là trở kháng sóng của môi trường

là cường độ điện trường trong trường xa của anten

Eθ, Eϕ là các thành phần điện trường trong trường xa của anten Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ Do đó:

(1.24) Trong đó: dΩ=sinθdθdϕ là một vi phân góc đặc

1.4.7 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền 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 (Equivalent Isotropically Radiated Power)

EIRP=PTGT (W) (1.25) Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích GT 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 GT

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

1.4.8 Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng nên ta cần quan tâm đến hiệu suất của anten để có thể đánh giá chính xác hiệu quả cũng như tổn hao về công suất mà anten mang lại Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa công suất bức xạ

Prad và công suất máy phát đưa vào anten Pin

Trong đó: ep là hiệu suất phân cực của anten

e là hiệu suất bức xạ của anten

er là hiệu suất do phản xạ (do không phối hợp trở kháng giữa anten và đường dây truyền sóng)

er=1-| |

Với là hệ số phản xạ ở ngõ ra:

Zin là trở kháng vào của anten

Z0 là trở kháng đặc tính của dây truyền sóng

Nếu không có tổn hao trong phân cực thì hiệu suất tổng được xác định bởi:

et=e.( 1-| |

1.4.9 Tính phân cực của anten

Phân cực của antentheo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten Chú ý: khi không đề cập tới hướng nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số độ lợi cực đại”

Sự phân cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời, và hướng mà nó vạch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng Một đường vạch theo bởi đầu mút của vector điện trường là hàm của thời gian được thể hiện trong Hình 1.9

Hình 1.9: Sự quay của vector điện trường [3]

cả hai đều rơi vào một loại là phân cực tuyến tính Trường hợp đặc biệt của phân cực tuyến tính là đặc tính phân cực kép trong đó anten hoạt động ở phân cực dọc cũng tốt như ở phân cực ngang [3-6]

Một cách tổng quát, đầu mút vector điện trường vạch ra là một hình ellip, và trường được gọi là phân cực ellip.Phân cực tuyến tính và tròn là trường hợp đặc biệt của phân cực ellip Đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ CW (clockwise) gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ CCW (counterclockwise) gọi là phân cực trái

Hình 1.10: Các loại phân cực [3]

Chương 2 ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MẢNG VI DẢI

2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải

Định nghĩa về những cấu trúc phát xạ vi dải được đưa ra lần đầu tiên bởi Deschamps vào năm 1953 Tuy nhiên phải gần hai mươi năm sau thì những anten thực tế mới được sản xuất.Anten thực tế đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1970 bởi Howell và Munson Kể từ đó, việc nghiên cứu, phát triển các anten vi dải và các mảng anten vi dải không ngừng được mở rộng, nhằm khai thác triệt để những ưu điểm cũng như khắc phục các nhược điểm của nó

2.1.1 Định nghĩa về anten vi dải

Một anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng phát xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có một mặt phẳng đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi

Miếng phát xạ làm bằng các chất dẫn điện, thông thường là đồng hoặc vàng, có thể là bất kỳ hình dạng nào, nhưng thông thường các nhà thiết kế sử dụng là những hình dạng sao cho việc phân tích dễ dàng và tính toán thiết kế hiệu quả Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ và sự ra đời của các chương trình mô phỏng thiết kế cho phép ta có thể thiết kế miếng phát xạ ở bất kỳ hình dạng nào

để có đồ thị bức xạ cực đại Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch.Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng < L< Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền

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< εr< 12 Những lớp điện môi được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn Nền mỏng với hằng số điện môi lớn hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời 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

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Sóng điện từ xuất phát từ tấm phía trên đi vào trong lớp điện môi, sau đó phản

xạ trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên Trường bức xạ xảy ra chủ yếu do trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất

Hình 2.2: Trường bức xạ E và H của anten vi dải [3]

Phụ thuộc vào từng cấu trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng Nếu cấu trúc sử dụng như một anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng không gian.Còn nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn sóng Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao không mong muốn nhưng đôi khi vẫn có những ứng dụng sử dụng loại sóng này như leaky anten