Nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải có độ lợi cao, mức búp phụ thấp : Luận án TS. Kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông : 95202

- Nghiên cứu và đề xuất được hai giải pháp thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng vi dải tuyến tính kiểu song song hoặc nối tiếp, cho phép cung cấp tín hiệu tại các đầu ra đồng pha và có

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này

là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018

Tác giả luận án

Tăng Thế Toan

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Thầy giáo hướng dẫn PGS TS Trương Vũ Bằng Giang vì những định hướng, góp ý quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận án Sự hiểu biết sâu rộng trong lĩnh vực anten, vô tuyến cùng phương pháp tư duy, kĩ năng sống và làm việc khoa học và sự tận tình của Thầy đã giúp tôi từng bước hoàn thành nghiên cứu này, định hướng cho tôi xây dựng một phong cách sống và làm việc hiệu quả hơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giảng viên trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt các Thầy, Cô giảng viên Tổ Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông

đã nhiệt tình giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài luận án Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn ThS Nguyễn Minh Trần vì những đóng góp tích cực trong nghiên cứu, thảo luận và hỗ trợ tôi trong quá trình mô phỏng, đo đạc thực nghiệm

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tăng Thế Toan

iii

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH xi

MỞ ĐẦU 1

Lí do chọn đề tài nghiên cứu 1

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

Cấu trúc nội dung của luận án 3

TỔNG QUAN 5

Phân tích và đánh giá những kết quả nghiên cứu đã có liên quan đến luận án 5 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án 9

CHƯƠNG 13 TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VI DẢI 13

1.1 Tổng quan về anten mảng và các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của anten mảng vi dải 13

1.1.1 Mô hình anten mảng 14

1.1.2 Anten mảng tuyến tính 16

1.1.3 Anten mảng phẳng 19

1.1.4 Mạng tiếp điện của anten mảng 21

1.2 Phương pháp trọng số trong thiết kế anten mảng 24

1.2.1 Trọng số pha 24

1.2.2 Trọng số nhị thức 25

iv

1.2.3 Trọng số Dolph-Chebyshev 26

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của anten mảng vi dải 30

1.4 Các phương pháp giảm mức búp phụ cho anten mảng tuyến tính 31

1.5 Kết luận chương 1 32

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN LƯỠNG CỰC MẠCH IN HAI MẶT VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ANTEN MẢNG VI DẢI 33

2.1 Anten lưỡng cực mạch in hai mặt 33

2.1.1 Cấu trúc và hoạt động 33

2.1.2 Băng thông và trở kháng bức xạ 35

2.1.3 Tiếp điện cho anten lưỡng cực mạch in hai mặt 37

2.2 Giải pháp thiết kế anten lưỡng cực mạch in hai mặt 37

2.2.1 Phương pháp luận và qui trình thiết kế anten lưỡng cực mạch in hai mặt 37

2.2.2 Áp dụng qui trình thiết kế anten lưỡng cực mạch in hai mặt 40

2.2.3 Giải pháp điều chỉnh tần số làm việc của anten lưỡng cực mạch in hai mặt 43

2.2.4 Giải pháp mở rộng băng thông của anten lưỡng cực mạch in hai mặt 45

2.3 Anten mảng vi dải sử dụng phần tử anten lưỡng cực mạch in hai mặt 47

2.3.1 Anten mảng vi dải tuyến tính phân bố biên độ giảm dần 47

2.3.2 Anten mảng phẳng sử dụng phần tử anten lưỡng cực hai mặt 55 2.4 Kết luận chương 2 59

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI CÓ ĐỘ LỢI CAO VÀ MỨC BÚP PHỤ THẤP SỬ DỤNG TRỌNG SỐ CHEBYSHEV 60

v

3.1 Qui trình tổng quát thiết kế anten mảng 60

3.2 Anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev có mức búp phụ thấp 64

3.2.1 Tính toán số lượng phần tử đơn 65

3.2.2 Thiết kế phần tử anten đơn 66

3.2.3 Thiết kế mạng tiếp điện song song 67

3.2.4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 72

3.3 Anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev có độ lợi cao và mức búp phụ thấp 79

3.3.1 Tính toán số lượng phần tử 80

3.3.2 Thiết kế phần tử anten đơn 80

3.3.4 Thiết kế mạng tiếp điện 82

3.3.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 88

3.4 Kết luận chương 3 99

KẾT LUẬN 100

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DEA Differential Evolution Algorithm Thuật toán tiến hóa vi phân DSPD Double Sided Printed Dipole Chấn tử mạch in hai mặt

DRAs Dielectric Resonator Antennas Anten cộng hưởng điện môi

GWCS General Wireless Communications

MMIC Monolithic Microwave Integrated

NSI Nearfield Systems Inc Hệ thống đo trường gần

PDAA Planar Dipole Array Antenna Anten mảng phẳng lưỡng cực PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

PSO Particle Swarm Optimization Phương pháp tối ưu bầy đàn

ULA Uniform Linear Array Mảng tuyến tính đồng nhất

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng điện áp

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ vô tuyến

vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

1 CL (F) Điện dung tương đương của đường truyền tiếp

7 k 1/m Hệ số sóng trong không gian tự do (k=2/)

8 L mm Chiều dài lưỡng cực vi dải

9 LL (H) Độ tự cảm tương đương của đường truyền tiếp

điện

10 RL (Ω) Trở kháng đặc trưng tương đương của mặt

phẳng bức xạ anten DSPD

11 Rs (Ω) Trở kháng đặc trưng tương đương của đường

truyền tiếp điện

12 W mm Chiều rộng lưỡng cực vi dải

viii

21 0 m Bước sóng trong không gian tự do ()

22 g m Bước sóng trong môi trường

23  1/m Hệ số truyền sóng trong môi trường (=2/g)

26 Zc (Ω) Trở kháng đặc trưng đường truyền

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Trọng số biên độ của mảng tuyến tính 8×1 (SLL = -25 dB) 29

Bảng 2.1: Tỉ lệ phần trăm rút ngắn chiều dài lưỡng cực 39

Bảng 2.2: Thông số thiết kế một số DSPD 41

Bảng 2.3: Thông số băng thông, độ lợi của mẫu anten DSPD 42

Bảng 2.4: So sánh băng thông các mẫu anten DSPD 47

Bảng 2.5: Trọng số nhị thức mảng 10×1 phần tử 48

Bảng 2.6: Phân bố biên độ giảm dần củao mảng 10×1 phần tử 48

Bảng 2.7: Thông số thiết kế mạng tiếp điện 49

Bảng 2.8: Kết quả mô phỏng các tham số S của hệ thống tiếp điện 50

Bảng 2.9: So sánh phân bố biên độ giữa lí thuyết và mô phỏng 50

Bảng 2.10: Thông số thiết kế anten mảng vi dải 10×1 phần tử 53

Bảng 2.11: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo 55

Bảng 2.12: Thông số thiết kế anten DSPD 56

Bảng 2.13: Thông số thiết kế mảng (đơn vị: mm) 57

Bảng 2.14: Tổng hợp kết quả đo đạc và mô phỏng 59

Bảng 3.1: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev 65

Bảng 3.2: Thông số thiết kế anten DSPD (đơn vị: mm) 67

Bảng 3.3: Trọng số biên độ Chebyshev cho mảng 8×1 (SLL = -30 dB) 68

Bảng 3.4: Thông số của mạng tiếp điện Chebyshev 8×1 (SLL = -30 dB) 69

Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả mô phỏng tham số S tại tần số 4,95 GHz 71

Bảng 3.6: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo 78

Bảng 3.7: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev 79 Bảng 3.8: Thông số thiết kế phần tử anten DSPD 81

Bảng 3.9: Phân bố biên độ Chebyshev cho mảng 10×1 (SLL = -30 dB) 84

Bảng 3.12: So sánh phân bố biên độ giữa lí thuyết và mô phỏng 88

Bảng 3.13: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo 98

xi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc anten mảng điển hình 14

Hình 1.2 Mảng tuyến tính N phần tử 16

Hình 1.3 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng ULA (N=10, d= 0,75) 18

Hình 1.4 Cấu trúc mảng phẳng chữ nhật 20

Hình 1.5 Mạng tiếp điện song song 21

Hình 1.6 Đường truyền vi dải chuyển đổi trở kháng phần tư bước sóng 22

Hình 1.7 Bộ chia công suất vi dải hai đường 22

Hình 1.8 Bộ chia công suất vi dải hai đường với bộ chuyển đổi phần tư bước sóng 22

Hình 1.9 Mạng tiếp điện song song với bộ chia công suất hình T 23

Hình 1.10 Mạng tiếp điện nối tiếp 24

Hình 1.11 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của ULA (N=10, d=/2, d=00, 300, 450) 25

Hình 1.12 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng đồng nhất và mảng nhị thức (N=10, d=0,75) 26

Hình 1.13 Đồ thị một số bậc đầu tiên của đa thức Chebyshev 27

Hình 1.14 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng Chebyshev 8×1 (SLL= -25dB, d=0,75) 30

Hình 2.1 Anten lưỡng cực dạng dải quạt và đường truyền song song 33

Hình 2.2 Anten DSPD cơ bản tiếp điện bằng đường truyền song song 34

Hình 2.3 Lưỡng cực phẳng tiếp điện trung tâm và lưỡng cực hình trụ tương đương 34

Hình 2.4 Đường truyền vi dải 35

Hình 2.5 Cấu trúc anten lưỡng cực phẳng tiếp điện trung tâm 36

Hình 2.6 Mô hình đường truyền vi dải và đường truyền song song 37

xii

Hình 2.7 Cấu trúc hình học DSPD và anten hình trụ tương đương 38

Hình 2.8 Lưu đồ thiết kế anten DSPD 38

Hình 2.9 Mô hình anten DSPD đề xuất 41

Hình 2.10 Mô phỏng các mẫu anten DSPD 42

Hình 2.11 Cấu trúc mẫu anten DSPD đề xuất 43

Hình 2.12 Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và băng thông với kích thước a 44

Hình 2.13 Mô hình DSDP cắt vát cạnh bức xạ 45

Hình 2.14 Sự phụ thuộc băng thông và tần số vào kích thước cắt cạnh mặt bức xạ với c  0,09g 46

Hình 2.15 Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi của anten DSPD với c ≥0,1g46 Hình 2.16 Mạng tiếp điện nối tiếp đề xuất 49

Hình 2.17 Phân bố dòng của mạng tiếp điện 10×1 49

Hình 2.18 Tham số S của mạng tiếp điện mảng 10×1 phần tử 50

Hình 2.19 Pha tại các cổng của mạng tiếp điện mảng 10×1 phần tử 51

Hình 2.20 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng với trọng số mô phỏng từ mạng tiếp điện (10×1 phần tử, d = 0,75) 51

Hình 2.21 Phần tử anten DSPD đề xuất 52

Hình 2.22 Anten mảng 10×1 phần tử 52

Hình 2.23 Nguyên mẫu anten chế tạo 53

Hình 2.24 Hệ số suy hao phản hồi 54

Hình 2.25 So sánh mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của anten mảng 54

Hình 2.26 Mẫu anten DSPD đề xuất 56

Hình 2.27 Anten mảng phẳng đề xuất 57

Hình 2.28 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc của S11 58

Hình 2.29 Đồ thị bức xạ của anten đề xuất 58

Hình 3.1 Khảo sát đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng ULA theo khoảng cách phần tử đơn 61

Hình 3.2 Qui trình thiết kế anten mảng 62

xiii

Hình 3.3 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng ULA 8×1 phần tử, d=0,75 66

Hình 3.4 Phần tử anten DSPD đề xuất 66

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng phần tử anten DSPD 67

Hình 3.6 Mạng tiếp điện song song 8×1 68

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng phân bố dòng của mảng tại tần số 4,95 GHz 70

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng các tham số S của mạng tiếp điện 71

Hình 3.9 So sánh phân bố biên độ đầu ra của hệ thống tiếp điện 72

Hình 3.10 Anten mảng vi dải đề xuất 73

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng S11 của mảng đề xuất 73

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng đề xuất 74

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ 3D của mảng đề xuất 75

Hình 3.14 Độ lợi và SLL của mảng trong dải tần hoạt động 75

Hình 3.15 Nguyên mẫu anten mảng chế tạo 76

Hình 3.16 Kết quả đo đạc và mô phỏng hệ số suy hao phản hồi 76

Hình 3.17 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của mảng 77

Hình 3.18 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng ULA 10×1 phần tử, d=0,750 80

Hình 3.19 Phần tử đơn DSPD đề xuất 81

Hình 3.20 Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi và đồ thị bức xạ của anten DSPD 81

Hình 3.21 Mạch điện tương đương của dây chêm hở mạch 82

Hình 3.22 Mô hình mạng tiếp điện nối tiếp và mạch điện tương đương 83

Hình 3.23 Ảnh hưởng của ZTL đến hệ số S11 của mảng đề xuất 85

Hình 3.24 Một nhánh mạng tiếp điện nối tiếp 10×1 86

Hình 3.25 Phân bố dòng điện của hệ thống tiếp điện 86

Hình 3.26 Kết quả mô phỏng biên độ và pha của mạng tiếp điện nối tiếp 10×1 87

Hình 3.27 So sánh phân bố biên độ đầu ra của mạng tiếp điện 88

Hình 3.28 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa với trọng số mảng của mạng tiếp điện (nét chấm) và với trọng số lí thuyết Chebyshev (nét liền) 89

xiv

Hình 3.29 Phần tử anten DSPD và các thanh dẫn xạ 89

Hình 3.30 Mẫu anten mảng Chebyshev đề xuất 90

Hình 3.31 Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi S11 của mảng 91

Hình 3.31 Mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng tại tần số 5,5 GHz 91

Hình 3.33 Mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng ở các tần số khác nhau 92

Hình 3.34 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten theo tần số 93

Hình 3.35 Khảo sát độ lợi và SLL theo tần số 93

Hình 3.36 Khảo sát đồ thị bức xạ của mảng mảng theo các thanh dẫn xạ 95

Hình 3.37 Khảo sát đồ thị bức xạ của mảng 10×1 theo mặt phản xạ 96

Hình 3.38 Nguyên mẫu chế tạo anten mảng đề xuất 96

Hình 3.39 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số suy hao phản hồi 97

Hình 3.40 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của anten mảng 98

1

MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài nghiên cứu:

Ngày nay, các anten sử dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới đang đứng trước các yêu cầu cần phải được thiết kế để có hiệu năng cao và kích thước nhỏ gọn Anten mảng vi dải với các ưu điểm dễ chế tạo, nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp bề mặt và có hiệu năng chấp nhận được theo yêu cầu của hệ thống Tuy vậy, việc nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải vẫn tồn tại nhiều thách thức như mức búp phụ (SLL) của mảng còn khá lớn, băng thông, độ lợi cũng như kích thước của anten mảng vi dải cũng cần được tiếp tục nghiên cứu phát triển để cải thiện hơn nữa những

ưu điểm của hệ anten này

Nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm cho thấy, SLL của mảng phụ thuộc chủ yếu vào trọng số của mạng tiếp điện Do đó, các giải pháp nhằm hạ thấp SLL của mảng thường tập trung vào việc sử dụng trọng số để tính toán, thiết kế mạng tiếp điện Bên cạnh đó, những vấn đề về tối ưu hóa vị trí các phần tử anten, bức xạ giả của mạng tiếp điện và ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ cũng là nguyên nhân dẫn đến SLL của anten mảng vi dải còn khá cao, làm giảm hiệu suất làm việc của anten mảng và hệ thống

Do vậy, việc nghiên cứu phát triển các giải pháp anten mảng vi dải có độ lợi cao, SLL thấp, kích thước nhỏ gọn, khối lượng thấp vẫn đang là những vấn đề mang tính thời sự hiện nay và đó cũng là động lực chính thúc đẩy luận án này hướng tới giải quyết

Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:

Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu và đề xuất được giải pháp, qui trình tính toán, thiết kế mô hình anten lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) có băng thông rộng, độ lợi cao, có khả năng điều chỉnh tần số và mở rộng băng thông một cách dễ dàng Các anten DSPD

dễ chế tạo, ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện đại

- Nghiên cứu và đề xuất được hai giải pháp thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng vi dải tuyến tính kiểu song song hoặc nối tiếp, cho phép cung cấp tín hiệu tại các đầu ra đồng pha và có biên độ theo phân bố Chebyshev Trên cơ sở các mạng tiếp điện này, đề xuất được các giải pháp thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính sử dụng phần tử anten DSPD, có SLL thấp dưới -25 dB, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và có khả năng ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới

Đối tượng nghiên cứu:

- Các cấu trúc anten DSPD mới, có độ lợi cao, băng thông rộng, cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo

- Các mạng tiếp điện cho anten mảng vi dải kiểu song song hoặc nối tiếp sử dụng phân bố Chebyshev

- Các anten mảng vi dải tuyến tính được thiết kế dựa trên phần tử anten DSPD

và hệ thống tiếp điện tiếp điện song song hoặc nối tiếp Trong đó, mạng tiếp điện được thiết kế để tín hiệu tại các cổng ra đồng pha và biên độ theo phân bố Chebysev

Phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong những vấn đề sau:

- Nghiên cứu các đặc tính của anten DSPD về băng thông và độ lợi

- Nghiên cứu đặc tính của mạng tiếp điện song song hoặc nối tiếp cho anten mảng vi dải Trong đó các đường tiếp điện sử dụng trong mạng tiếp điện là các đường truyền vi dải song song

- Nghiên cứu các đặc tính của anten mảng vi dải tuyến tính sử dụng phân bố Chebyshev và phần tử anen DSPD thông qua các thông số SLL và độ lợi

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án kết hợp sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

3

- Nghiên cứu tổng quan kết hợp với nghiên cứu lí thuyết, tính toán để đề xuất các ý tưởng mới

- Kiểm chứng bằng mô phỏng máy tính và đo đạc thực nghiệm

- So sánh kết quả với một số cấu trúc đã công bố

- Đề xuất, cải tiến cấu trúc

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Các kết quả của luận án này góp phần phát triển qui trình tổng thể thiết kế anten DSPD có độ lợi cao và băng thông rộng

- Phát triển được qui trình tính toán, thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính sử dụng phần tử anten DSPD và có phân bố biên độ không đồng nhất nhằm hạ thấp SLL của anten mảng vi dải

- Các kết quả của nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phân tích và thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp, độ lợi cao, cấu hình nhỏ gọn Trong đó, mạng tiếp điện được thiết kế dựa trên phân bố Chebyshev

- Các mẫu anten DSPD và các anten mảng vi dải trong luận án này được thiết

kế trong băng tần C, hoàn toàn có thể ứng dụng cho các điểm truy cập WLAN

802.11ac, các trạm di dộng ngoài trời hay các dịch vụ truyền thông vô tuyến tổng hợp GWCS (4,94 ˗ 4,99 GHz),…

Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung của luận án bao gồm ba chương:

Chương 1 trình bày tổng quan mô hình anten mảng và phương pháp trọng số trong thiết kế anten mảng tuyến tính Nội dung của chương cũng trình bày tổng quan về các mạng tiếp điện phổ biến sử dụng trong thiết kế anten mảng vi dải Các

kĩ thuật tạo phân bố biên độ không đồng nhất tại các đầu ra của hệ thống tiếp điện cho mảng vi dải cũng được trình bày chi tiết, làm cơ sở cho những giải pháp tính toán, thiết kế anten mảng vi dải ở các chương sau

Chương 2 trình bày đề xuất giải pháp phát triển qui trình thiết kế cấu trúc anten DSPD mới có độ lợi cao và băng thông rộng Trên cơ sở đó, các giải pháp điều chỉnh tần số làm việc và cải tiến để mở rộng băng thông của anten DSPD cũng được phân tích, trình bày chi tiết Đồng thời đề xuất sử dụng anten DSPD trong

4

thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính 8×1 phần tử và anten mảng phẳng 4×4×3 phần

tử Các kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm cho thấy hai mô hình anten mảng

đề xuất đều có khả năng hoạt động tốt ở dải tần thiết kế, có độ lợi cao và SLL thấp,

cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo

Chương 3 trình bày các giải pháp tính toán, thiết kế anten mảng vi dải tuyến

tính được tiếp điện nối tiếp và song song, sử dụng phần tử anten đơn DSPD và trọng

số Chebyshev nhằm nâng cao độ lợi và giảm SLL của anten mảng Trong cả hai

chương đều chú trọng đến việc phân tích phương pháp luận và qui trình thiết kế đặc

biệt là hai mạng tiếp điện nối tiếp và song song sử dụng phân bố Chebyshev Nội

dung của hai chương cũng trình bày tương ứng hai anten mảng vi dải tuyến tính để

minh chứng cho tính khả thi của các qui trình đã đề xuất Hai anten mảng vi dải

được thiết kế, chế tạo và đo kiểm thỏa mãn được các yêu cầu về tần số làm việc,

băng thông, có độ lợi cao, SLL thấp, cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo, hoàn toàn có thể

ứng dụng trong các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới

cự li truyền thông tin [4] Hiện nay, cùng với sự phát triển của kĩ thuật anten, anten mảng vi dải cũng đã có những bước phát triển mạnh mẽ Phạm vi ứng dụng của anten mảng vi dải được mở rộng hơn do những đặc tính ưu việt về sự linh hoạt của tần số cộng hưởng, mô hình bức xạ và phân cực Ngoài ra các đặc tính về khả năng thích nghi với các bề mặt khác nhau, khả năng thiết kế MMIC và kích thước, khối lượng nhỏ cũng là những ưu điểm của loại anten này

Mặc dù vậy, vẫn còn nhiều thách thức đặt ra đối với anten mảng vi dải cần được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết:

˗ SLL của anten mảng vi dải còn khá cao trong khi độ lợi còn thấp cần phải

có các giải pháp khắc phục để đáp ứng yêu cầu đặt ra của các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới

˗ Anten mảng vi dải có băng thông hẹp và phụ thuộc nhiều vào kích thước tấm nền điện môi Do vậy, việc cải thiện đặc tính băng thông kết hợp với giảm nhỏ kích thước tấm nền điện môi cũng như kích thước, trọng lượng anten mảng cần được tiếp tục nghiên cứu, phát triển

˗ Bức xạ bởi mạng tiếp điện và ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten cần được kiểm soát và giảm thiểu nhằm cải thiện đặc tính bức xạ và hiệu suất hiệu suất bức xạ của anten mảng

Trong các hệ thống truyền thông vô tuyến điểm – điểm hoặc điểm – đa điểm thế hệ mới, anten mảng luôn được yêu cầu với độ lợi cao và SLL thấp nhằm nâng

6

cao hiệu suất của hệ thống SLL của anten mảng thường được yêu cầu dưới -20 dB hoặc thấp hơn nữa đối với các hệ thống ra đa [55] Do đó, việc nghiên cứu phát triển các anten mảng vi dải có độ lợi cao và SLL thấp hiện vẫn đang là một xu hướng lớn thu hút mạnh mẽ cộng đồng nghiên cứu phát triển

Lí thuyết anten mảng cho thấy, SLL phụ thuộc chủ yếu vào vị trí các phần tử anten và trọng số của mảng [7] Do vậy, trên thực tế các phương pháp giảm SLL của anten mảng thường tập trung vào việc tối ưu hóa vị trí phần tử anten và điều chỉnh trọng số của mảng để đạt được SLL thấp nhất Gần đây, phương pháp tối ưu hóa vị trí các phần tử anten đã nhận được nhiều hơn trong cộng đồng nghiên cứu với các thuật toán tối ưu như PSO, DE trong [38, 78],… Tuy vậy, những đóng góp của phương pháp này trong việc áp dụng trong thiết kế, chế tạo anten mảng búp sóng cố định có SLL thấp còn khá ít Trong khi đó, phương pháp điều chỉnh trọng số biên độ của mảng lại nhận được nhiều sự quan tâm hơn bởi tính khả dụng trong thiết kế và chế tạo Lí thuyết anten mảng cũng đã chỉ ra hai phân bố phổ biến nhất được sử dụng làm trọng số để thiết kế mảng tuyến tính bức xạ vuông góc có SLL thấp là phân bố nhị thức và Dolph-Chebyshev1 [7] Anten mảng tuyến tính với phân bố nhị thức cho phép tạo búp sóng có SLL rất thấp, thậm chí không có búp bên (nếu khoảng cách các phần

tử nhỏ hơn 0,5) Tuy vậy, nó cũng bị trả giá bởi độ rộng búp sóng lớn và độ lợi thấp, trong khi đó mảng Chebyshev cho phép tạo búp sóng tối ưu hơn với SLL xác định và HPBW nhỏ nhất [7, 35, 46]

Trên thực tế, đã có nhiều công trình nghiên cứu, đề xuất các mẫu anten mảng

vi dải tuyến tính có SLL thấp, sử dụng các trọng số nhị thức và Chebyshev Tuy vậy, nhìn chung các công bố một mặt chưa đề xuất tổng thể qui trình tính toán, thiết

kế anten mảng sử dụng trọng số, gây khó khăn cho việc nghiên cứu, phát triển và thiết kế, chế tạo Mặt khác, SLL đạt được của các mẫu anten mảng đề xuất vẫn còn khá lớn, trong khi đó độ lợi chưa cao, băng thông hẹp hoặc kích thước, khối lượng của các phần tử đơn và của anten mảng chưa thực sự nhỏ gọn

1 Mô hình anten mảng dựa trên phân bố Chebyshev lần đầu tiên được phát triển bởi C.L Dolph, nên được gọi

là anten mảng Dolph-Chebyshev, sau đây anten mảng Dolph-Chebyshev sẽ được gọi tắt là “anten mảng Chebyshev”

7

Do vậy, việc nghiên cứu phát triển các giải pháp nhằm giảm SLL, nâng cao

độ lợi cho anten mảng vi dải với kích thước nhỏ gọn, khối lượng thấp cũng như việc nghiên cứu, thiết lập qui trình tính toán, thiết kế anten mảng vi dải là động lực chính thúc đẩy sự phát triển của các hướng nghiên cứu gần đây:

- Nghiên cứu các cấu trúc anten vi dải có băng thông rộng, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo làm phần tử bức xạ của mảng:

Anten vi dải có nhiều ưu điểm về kích thước, khối lượng, khả năng tích hợp vào hệ thống cao, nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, đặc biệt là băng thông (khoảng 1,5% với tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR) < 2 [49]) Do vậy, để đảm bảo và có thể mở rộng băng thông của anten mảng vi dải, trước hết cần thực hiện các giải pháp mở rộng băng thông của phần tử anten vi dải Trên thực tế, có nhiều giải pháp mở rộng băng thông của anten vi dải như phương pháp sử dụng cấu trúc nhiều lớp, tăng độ dày tấm nền điện môi hoặc sử dụng tấm nền có hằng số điện môi nhỏ [25, 26] Giải pháp sử dụng các mặt phẳng bức xạ có hình dạng đặc biệt như dạng bán nguyệt [19, 28], dạng elip [8, 67], dạng tam giác [30], dạng chữ nhật [22,

52, 55, 71], ngũ giác [44], lục giác [29, 31] Trong các công bố [3, 19, 37, 40, 60], việc tối ưu hóa băng thông của anten lưỡng cực được thực hiện bằng cách mở rộng dần hai cánh bức xạ hoặc kiến trúc anten theo dạng hình dải quạt (bow-tie) với các góc mở khác nhau cho phép mở rộng băng đến khoảng 33% [37] Một số nghiên cứu phát triển cấu trúc anten lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) cho mảng đã được trình bày trong [10, 11, 17, 23-26, 37, 73, 76] Trong các công trình này, kỹ thuật tiếp điện bằng các đường vi dải song song được sử dụng, cho phép giảm được kích thích sóng bề mặt, giảm kích thước tấm nền điện môi và tăng băng thông cho anten

- Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính có SLL thấp sử dụng phân bố nhị thức:

Một số công trình nghiên cứu mảng nhị thức được công bố trong tài liệu [46,

57, 69] Trong các công trình này, phân bố nhị thức được sử dụng để thiết kế mạng tiếp điện trong các anten mảng tuyến tính hoặc anten mảng phẳng nhằm giảm SLL Tuy vậy, các giải pháp mới chỉ dừng lại trong thiết kế và mô phỏng, do vậy còn

Các công trình nghiên cứu mảng Chebyshev tiếp điện song song có SLL thấp

đã được trình bày ở các tài liệu [50, 59, 75, 79] Trong các công trình này, để tạo được tín hiệu kích thích các phần tử anten theo phân bố Chebyshev, mạng tiếp điện

sử dụng các bộ chia công suất hình T hoặc bộ chia công suất Wilkinson và các bộ

chuyển đổi g /4 để phối hợp trở kháng Kết quả cho thấy, anten mảng có SLL thấp

dưới -20 dB [59, 75] Tuy vậy, mạng tiếp điện kiểu song song có nhược điểm là kích thước khá lớn với nhiều điểm gián đoạn, sử dụng nhiều bộ chia công suất là những nguyên nhân chính tạo nên các bức xạ giả làm giảm khả năng nén búp phụ [33, 56]

Các công trình nghiên cứu phát triển mảng Chebyshev tiếp điện nối tiếp có SLL thấp được trình bày ở các tài liệu [24, 39, 51, 52, 61, 78] Để thiết lập phân bố công suất theo tỉ lệ Chebyshev, các nghiên cứu này chủ yếu sử dụng đường truyền vi

dải 3g /4 và các đường g /4 có trở kháng đặc trưng khác nhau để tạo phân bố dòng và

phối hợp trở kháng Ngoài ra, để tăng băng thông và độ lợi cho anten mảng, kĩ thuật tạo khe lớn trong mặt phẳng đất kết hợp với mặt phẳng phản xạ đã được trình bày trong các công trình [24, 51] SLL của các anten mảng này đều khá thấp, hầu hết đạt dưới -23 dB tại tần số trung tâm [39, 61, 78] Các công bố này cũng cho thấy, mạng

9

tiếp điện nối tiếp có chiều dài đường tiếp điện ngắn dẫn đến kích thước tấm nền điện môi nhỏ, làm giảm bức xạ giả từ các đường tiếp điện, do vậy mảng có khả năng nén búp phụ tốt, kích thước và khối lượng anten mảng nhỏ gọn

Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án

Các nghiên cứu đến nay đã tập trung đề xuất, phát triển các cấu trúc anten mảng tuyến tính nhỏ gọn có SLL thấp, độ lợi cao và băng tần phù hợp với mục đích

sử dụng Trong đó, việc áp dụng phương pháp trọng số Chebyshev cho thấy hiệu quả trong việc giảm SLL và tối ưu hóa độ lợi của mảng Tuy vậy, những vấn đề liên quan đến qui trình tính toán, thiết kế anten mảng vi dải sử dụng trọng số cũng như các kĩ thuật thiết kế mạng tiếp điện và phần tử đơn vẫn tồn tại những hạn chế nhất định cần được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết

Một là, nghiên cứu phát triển phần tử anten DSPD:

Những nghiên cứu [6, 10, 11, 17, 18, 24-26, 37, 73, 76] đã cho thấy phần tử anten DSPD đang được quan tâm nhiều trong thiết kế mảng vi dải bởi những đặc tính ưu việt về kích thước và băng thông và độ lợi Trong các công bố này, các tác giả đã sử dụng mẫu DSPD dựa trên cơ sở mẫu anten đã được đề xuất bởi W Wilkinson vào năm 1974 [73] Trong đề xuất [37] của E Levine có dạng chữ nhật, song được thu hẹp lại bằng cách cắt vát hai góc để phối hợp trở kháng với đường truyền song song Kết quả cho thấy băng thông có thể đạt đến 25% tùy thuộc vào tỉ

lệ W/0 Trong các nghiên cứu [24-26], các mẫu DSPD có khả năng tăng băng thông đến 34% dựa trên kĩ thuật mở rộng hai cánh bức xạ của anten lưỡng cực và tiếp điện bằng đường truyền vi dải song song Trong thiết kế của M.C Bailey [6], mẫu anten lưỡng cực dạng dải quạt với góc mở 600, tiếp điện bằng cáp đồng trục đã cho phép băng thông lên đến 37% Tuy nhiên, trong các thiết kế này băng thông của lưỡng cực được mở rộng dựa vào nguyên tắc nâng độ dày của cấu trúc, vì vậy mà anten có độ dày khá lớn (19,368 cm) Bên cạnh đó, tính học thuật và qui trình thiết

kế, đánh giá các tham số ảnh hưởng chưa được đề cập và làm rõ

Luận án này sẽ nghiên cứu và đề xuất qui trình tính toán, thiết kế mô hình anten DSPD mới có khả năng hoạt động với băng thông rộng, độ lợi cao và kích

10

thước nhỏ gọn Bên cạnh đó, các giải pháp điều chỉnh tần số làm việc và cải tiến để

mở rộng băng thông của anten DSPD cũng sẽ được trình bày, giúp cho việc tính toán, thiết kế anten DSPD được trở nên đơn giản và thuận tiện hơn Do đó, anten DSPD đề xuất hoàn toàn có thể được ứng dụng trong thiết kế anten mảng vi dải độ lợi cao và SLL thấp đáp ứng yêu cầu về hiệu suất làm việc của hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới

Hai là, nghiên cứu phát triển anten mảng sử dụng phân bố nhị thức:

Trong các nghiên cứu đã đề xuất ở các tài liệu [46, 57, 69], phân bố nhị thức được áp dụng để thiết kế mạng tiếp điện, đã cho phép SLL giảm tới -20 dB như trình bày trong [69] Tuy nhiên, độ lợi của anten mảng giảm mạnh (14,7 dBi tại tần số 5,8 GHz) và độ rộng búp chính lớn Trong các công bố [46, 57], mảng nhị thức có khả năng nén búp phụ xuống mức rất thấp, SLL đạt đến -85 dB và độ lợi đạt 11,89 dB với mảng 11 phần tử, thậm chí không có búp bên với mảng 5 phần tử [57] Tuy vậy, các anten mảng này mới chỉ dừng lại ở việc tính toán lí thuyết và mô phỏng mà chưa được chế tạo, đo lường và thử nghiệm nên chưa thể khẳng định khả năng ứng dụng Ngoài ra, do tỉ lệ phân bố dòng theo phân bố nhị thức lớn, đặc biệt đối với các anten mảng lớn nên mạng tiếp điện cần sử dụng nhiều bộ chia công suất và chuyển đổi phần tư bước sóng Vì vậy, mạng tiếp điện trở nên phức tạp, làm tăng kích thích sóng

bề mặt và dễ gây ra sai số trong thiết kế, chế tạo anten mảng Do vậy, trong thực tế các anten mảng thường được thiết kế với trọng số giống với phân bố nhị phân và được gọi chung là phân bố giảm dần Mức độ giảm dần của phân bố càng lớn (phân

bố nhị thức) thì SLL càng nhỏ và HPBW càng lớn và ngược lại [7]

Trong luận án này, phân bố biên độ giảm dần giống với phân bố nhị thức áp dụng cho mảng vi dải tuyến tính và mảng vi dải phẳng sử dụng phần tử đơn DSPD

sẽ được trình bày Việc thiết kế các mẫu anten này một mặt giúp kiểm chứng việc

sử dụng phân bố nhị thức trong thiết kế anten mảng vi dải, mặt khác cũng thể hiện khả năng ứng dụng của mẫu anten DSPD trong thiết kế anten mảng có độ lợi cao, kích thước nhỏ gọn

11

Thứ ba, nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải tuyến tính tiếp điện song song sử dụng phân bố Chebysev:

Trong các nghiên cứu [9, 19, 25, 26, 30, 38, 44, 47, 48, 50, 59, 66, 72, 79],

kỹ thuật tạo phân bố công suất trên các cổng ra của mạng tiếp điện chủ yếu sử dụng

bộ chia công suất hình T hoặc Wilkinson SLL của các mảng này đạt được -20 dB [44, 47] và -25 dB [38] Bên cạnh đó, một số nghiên cứu sử dụng bộ chia công suất kiểu phân nhánh khá phức tạp, dễ làm tăng kích thích sóng bề mặt [19, 59, 72] Ngoài ra, để giảm kích thích sóng bề mặt, các giải pháp kĩ thuật cách li mạng tiếp điện và các phần tử bức xạ được sử dụng như kĩ thuật ghép khe với nhiều lớp vật liệu như trong nghiên cứu [9, 47, 66, 79] Tuy vậy, các kĩ thuật đó thường khó chế tạo và dễ gây ra sai số giữa thực tế và mô phỏng Hơn nữa, các anten mảng này cũng thường có kích thước và khối lượng lớn

Trên cơ sở các nghiên cứu đó, luận án hướng tới giải pháp phát triển anten mảng vi dải tiếp điện song song có SLL thấp dưới -25 dB, kích thước nhỏ ngọn cho

các ứng dụng ở băng tần C Trọng tâm của nghiên cứu là phát triển được mạng tiếp

điện song song sử dụng đường truyền vi dải cân bằng (song song) với biên độ tại các cổng ra phù hợp với phân bố Chebyshev Mạng tiếp điện này được ghép nối với các phần tử anten DSPD để tạo thành mảng vi dải mạch in hai mặt, có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, độ lợi cao và SLL thấp

Thứ tư, nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải tuyến tính tiếp điện nối tiếp

sử dụng phân bố Chebysev:

Gần đây, một số cấu trúc anten mảng tiếp điện nối tiếp sử dụng phân bố Chebyshev đã được đề xuất ở các công trình [2, 10-12, 36, 39, 51, 52, 61, 78] Trong các nghiên cứu này, mạng tiếp điện nối tiếp được thiết kế với sự kết hợp của

đường truyền 3g /4 và các bộ chuyển đổi g /4 có trở kháng đặc tính khác nhau để

tạo phân bố dòng và phối hợp trở kháng SLL trong các nghiên cứu này nhìn chung khá thấp, SLL đạt đến -23 dB trong [39] Tuy vậy, với tổng khoảng cách các phần

tử bằng g thì kích thước của anten mảng cũng khá lớn Trong các nghiên cứu [10, 11], các anten mảng mạch in hai mặt sử dụng 22 phần tử đơn dạng Yagi có SLL đạt

12

-29 dB và độ lợi 15,5 dBi tại tần số 16,26 GHz Tuy vậy, mạng tiếp điện được thiết

kế với khoảng cách phần tử bức xạ là g dẫn đến kích thước chiều dài của mảng lên

đến 24,94g (310 mm) Trong các nghiên cứu [2, 12], anten mảng vi dải nối tiếp với các phần tử bức xạ mạch dải hình vuông tiếp điện góc và sử dụng các bộ chuyển đổi

g /4 để phối hợp trở kháng SLL của mảng 22 phần tử đạt tới -32 dB và độ lợi 15,9

dBi tại tần số 16,26 GHz [12] Tương tự như vậy, nhưng các bộ chuyển đổi g /4 và

phần tử bức xạ được đặt về hai phía của đường truyền trung tâm trong [2] đã cho phép giảm kích thước khoảng cách các phần tử còn g /2 Tuy nhiên, trong trường

hợp này SLL chỉ đạt -13,3 dB và độ lợi 15,3 dB tại tần số 10 GHz Ngoài ra, kĩ thuật tiếp điện khe với nhiều lớp điện môi được sử dụng trong thiết kế mảng SLL nhỏ [61] hay kết hợp sử dụng khe lớn trên mặt phẳng đất để thu hẹp phân bố trường, tăng băng thông của mảng trong một số công trình [11, 12, 39, 51] Tuy vậy, kĩ thuật này chủ yếu được áp dụng đối mảng DRA băng thông rộng và cho thấy

sự phức tạp trong tính toán, thiết kế, khối lượng lớn, khó chế tạo, hơn nữa SLL khá lớn và độ lợi thấp

Trong luận án này, giải pháp phát triển cấu trúc anten mảng vi dải tuyến tính tiếp điện nối tiếp có độ lợi cao và SLL thấp sẽ được trình bày Để đạt được SLL thấp, lí thuyết trọng số Chebyshev được sử dụng để tạo phân bố dòng tại các phần

tử bức xạ Mạng tiếp điện sử dụng các các dây chêm hở mạch (shunt stub) để điều

khiển và tạo trọng số Chebyshev tại các cổng ra Khoảng cách g trong các thiết kế

trên được điều chỉnh thành hai đoạn 3g /4 (đường truyền chính) và g /4 (đường

truyền nhánh) tiếp điện với phần tử bức xạ Như vậy, với kiến trúc này, một mặt mạng tiếp điện cho phép tạo trọng số thích hợp và đồng pha tại các cổng ra, mặt khác cũng cho phép giảm kích thước của anten mảng Ngoài ra, các anten mảng vi dải đề xuất trong luận án này đều sử dụng anten DSPD có độ lợi cao và băng thông rộng làm phần tử đơn, do đó có thể cho phép giảm kích thích sóng bề mặt, giảm bức

xạ giả và tăng độ lợi, băng thông của mảng

13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VI DẢI

Anten mảng vi dải được sử dụng phổ biến hiện nay bởi những ưu điểm về kích thước và khối lượng, phù hợp với các thiết kế tích hợp với mạch điện cao tần (MMIC) và khả năng linh hoạt trong việc tích hợp trên các hình dạng bề mặt Tuy vậy, những hạn chế về băng thông, SLL của anten mảng có ảnh hưởng lớn đến hiệu năng và phạm vi ứng dụng của anten mảng vi dải Nội dung của Chương 1 tập trung trình bày tổng quan về anten mảng và phân tích, đánh giá những nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của anten mảng và phương pháp điều chỉnh trọng số biên độ của mảng nhằm giảm SLL, tăng độ lợi cho anten mảng Bên cạnh

đó, hai hệ thống tiếp điện phổ biến của anten mảng và các kĩ thuật tiếp điện cho mảng vi dải cũng sẽ được trình bày chi tiết, làm cơ sở cho những giải pháp thiết kế anten mảng có độ lợi cao, SLL thấp ở các chương tiếp theo

1.1 Tổng quan về anten mảng và các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của anten mảng vi dải

Anten mảng được tạo bởi một nhóm các phần tử anten được sắp xếp thích hợp trong không gian để tạo ra bức xạ với các đặc tính mong muốn [7] Các đặc tính mong muốn đó có thể đạt được bởi sự thay đổi trọng số của mạng tiếp điện (biên độ

và pha) và vị trí tương đối của các phần tử bức xạ Anten mảng có thể được tiếp điện đồng pha nhằm tăng độ lợi cho anten, hoặc tiếp điện với góc pha biến đổi để có thể quét búp sóng trong không gian, tạo ra hệ anten có xử lí tín hiệu (anten thông minh) [27]

Trong hầu hết các trường hợp, các phần tử bức xạ của mảng thường có cấu trúc giống hệt nhau Điều này là không nhất thiết, song với các phần tử bức xạ có cấu trúc giống hệt nhau sẽ giảm thiểu được việc tính toán, thiết kế và khả năng áp dụng thực tiễn thuận lợi hơn Trường bức xạ tổng hợp của anten mảng được xác định bằng phương pháp cộng véc tơ của các trường bức xạ từ các phần tử anten [7]

ΦiΦ

θiθ

ζi

ri

Phần tử thứ i

Hình 1.1 Cấu trúc anten mảng điển hình

Trường bức xạ tại một điểm ở trường xa của phần tử đơn được xác định theo biểu thức (1.1) dưới đây [33]

( )

Trong đó ( )biểu diễn hàm phương hướng của phần tử anten thứ i

Trường điện tổng hợp của mảng có dạng (1.2)

( ) ∑ ( )

(1.2)

15

Các phần tử của mảng thường giống hệt nhau, có cùng dạng bức xạ và hàm phương hướng ( ) (trong trường hợp này, phân bố dòng của các phần tử là như nhau) Vì vậy, ( ) được tính bởi:

Trong đó ( ) là đồ thị bức xạ đặc trưng của phần tử đơn, w i là trọng số

(biên độ và pha) kích thích của phần tử đơn thứ i Trường điện tổng hợp của mảng

( ) thực chất là hàm biểu diễn đồ thị bức xạ của N nguồn điểm đẳng

hướng của mảng, trong đó là góc ngẩng và là góc phương vị trong không gian,

tử giống hệt nhau được tạo bởi trường bức xạ của một phần tử đơn và hệ số mảng

Do đó, trong thiết kế anten mảng, nếu xác định được trường bức xạ của phần tử đơn thì công việc chính còn lại là sự tổng hợp hệ số mảng

16

1.1.2 Anten mảng tuyến tính

Một anten mảng gồm một số phần tử anten đơn đặt dọc theo đường thẳng được gọi là anten mảng tuyến tính, được trình bày trên hình 1.2 Đồ thị bức xạ của mảng tuyến tính có thể được biểu thị bởi các đa thức như Gausian, Binomial, Chebyshev, Taylor,… [33]

Trường hợp đặc biệt khi các anten phần tử giống hệt nhau, đặt cách đều nhau

và được kích thích cùng biên độ, trong khi pha giữa của phần tử anten liên tiếp bằng nhau và bằng , thì anten mảng đó được gọi là ULA [7] Khi đó, ( ) và biểu thức (1.8) được viết lại:

Điều đó có nghĩa là hàm AF() có thể thu gọn lại thành một chuỗi đơn giản

và một phép xấp xỉ sin(x)/x Hình 1.3 dưới đây minh họa trường bức xạ của một

anten mảng ULA 10×1 phần tử, khoảng cách 0,75

18

Hình 1.3 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng ULA (N=10, d= 0,75)

Các đặc trƣng cơ bản của hệ số mảng ULA [33]:

Khảo sát hàm ( ) sẽ cho kết quả là các đặc trưng của hệ số mảng, cụ thể: Cực đại xuất hiện tại , với k = 0, 1, 2, …

Các điểm -3 dB của hệ số mảng thỏa mãn điều kiện:

Các điểm không (null) của hệ số mảng tại các vị trí , với k = 1,

2, 3, … và

Mức búp phụ:

( )

Anten mảng tuyến tính bức xạ vuông góc và bức xạ dọc trục anten:

Từ biểu thức (1.11) cho thấy, cực đại bức xạ chính của hệ số mảng đạt được khi Trong trường hợp  = 0, khi đó các phần tử mảng được kích thích đồng

pha thì , nghĩa là hướng bức xạ cực đại vuông góc với trục của mảng Anten mảng khi đó gọi là anten mảng tuyến tính bức xạ vuông góc [7]

Độ hướng tính cực đại của anten mảng tuyến tính bức xạ vuông góc:

1.1.3 Anten mảng phẳng

Anten mảng phẳng được tạo nên từ các phần tử anten được sắp xếp trên một mặt phẳng Anten mảng phẳng có thể tạo ra nhiều biến thể và cho phép quét búp sóng theo ba chiều Cấu trúc của anten mảng phẳng gồm các phần tử anten đơn được đặt dọc theo lưới của một hình chữ nhật tạo ra một mảng chữ nhật, đây là cấu trúc cơ bản nhất của hệ anten mảng phẳng Do đó, anten mảng chữ nhật có thể xem như được tạo nên từ hai mảng tuyến tính đặt vuông góc trong một mặt phẳng [33]

Hình 1.4 dưới đây minh họa cấu trúc một anten mảng chữ nhật trong mặt

phẳng Oxy Mảng có M phần tử ở hướng y và N phần tử ở hướng x, tạo nên mảng

có M×N phần tử Đồ thị bức xạ của mảng phẳng được xác định bằng phương pháp nhân đồ thị phương hướng từ đồ thị của các mảng tuyến tính theo trục x và y [34]

P (r, θ, )r

21

1.1.4 Mạng tiếp điện của anten mảng

Mạng tiếp điện của anten mảng có chức năng cung cấp tín hiệu cao tần với biên độ và pha chính xác đến các phần tử anten của mảng, đồng thời phối hợp trở kháng được với ngõ vào của mảng Mạng tiếp điện có thể đồng phẳng với các phần

tử bức xạ, nhưng cũng có thể nằm trên một mặt phẳng hoặc một lớp chất nền khác [20] Mạng tiếp điện gồm hai loại cơ bản là mạng tiếp điện song song và nối tiếp [20, 21, 32, 33, 45] Tuy vậy, mạng tiếp điện cũng có thể được tạo bởi sự kết hợp giữa các mạng tiếp điện nối tiếp và song song để tạo thành mạng tiếp điện lai

Mạng tiếp điện nói chung luôn tồn tại các thuộc tính không mong muốn làm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất bức xạ của anten mảng Các tính chất này có thể là các suy hao của vật dẫn điện, suy hao của chất điện môi, suy hao sóng mặt, sóng phản

xạ do các đường không liên tục như gấp khúc, chia nhánh, hay các bộ chuyển đổi Các suy hao này là những nguyên chính ảnh hưởng đến độ lợi tối đa của mảng [21]

a Mạng tiếp điện song song

Hai hình thức cơ bản của mạng tiếp điện song song được thể hiện trong hình 1.5 Trong mạng tiếp điện này, công suất thường được chia đều ở mỗi đường giao nhau Tuy nhiên, tỉ lệ phân chia công suất khác nhau hoàn toàn có thể được thực hiện để tạo ra phân phối không đồng nhất tại các cổng ra của mạng tiếp điện nhờ các bộ chia công suất và các bộ chuyển đổi phần tư bước sóng [20]

Điểm tiếp điện

Phần tử anten

Đường vi dải

Điểm tiếp điện

Hình 1.5 Mạng tiếp điện song song

22

Trong cấu trúc của mạng tiếp điện song song, hai bộ chia công suất thường

được sử dụng phổ biến là bộ chia công suất hình T và bộ chia công suất Wilkinson

[7] Đồng thời, để phù hợp với cấu trúc hình học của mảng, hệ thống cấp điện sử dụng thêm các bộ chuyển đổi phần tư bước sóng để phối hợp trở kháng giữa phần tử anten với đường truyền [21, 34] Trên thực tế, một mạng tiếp điện được thiết kế tốt khi các đường tiếp điện được phối hợp trở kháng tốt ở tất cả các giai đoạn hoặc các bước thiết kế Khi đó mạng tiếp điện sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tổn thất do phối hợp trở kháng hay bức xạ giả [20, 68] Một số bộ chia công suất điển hình và bộ chuyển đổi phần tư bước sóng được trình bày tại các hình 1.6 -1.8, là cơ sở cho những thiết kế mạng tiếp điện ở các phần sau của luận án này

Hình 1.9 Mạng tiếp điện song song với bộ chia công suất hình T

Ưu điểm của bộ chia công suất hình T là thiết kế đơn giản, tuy vậy hạn chế

của nó là không thể phối hợp trở kháng tại tất cả các cổng và các cổng lối ra không cách li nhau Ngược lại, nếu bộ chia có thể phối hợp trở kháng tại tất cả các cổng thì

nó sẽ bị suy hao và sự cách li giữa các cổng vẫn không tốt Bộ chia công suất Wilkinson có thể phối hợp ở tất cả các cổng, với sự cách li các cổng ra tốt Đặc tính hữu ích của nó đạt được khi tất cả các cổng ra được phối hợp, chỉ có công suất phản

xạ từ các cổng ra bị suy giảm

Mạng tiếp điện song song có ưu điểm dễ tính toán và thiết kế nhưng lại có bức xạ giả lớn do mạng tiếp điện sử dụng nhiều bộ chia công suất, bị uốn cong, bị phân lớp, kích thước còn khá lớn, do vậy làm giảm khả năng nén búp phụ của anten mảng Trong khi đó, mạng nối tiếp có chiều dài đường tiếp điện ngắn hơn, sử dụng

ít bộ chia, kích thước tổng thể nhỏ hơn do đó giảm được tổn thất bức xạ mặt và bức

xạ giả của đường tiếp điện [12]

b Mạng tiếp điện nối tiếp

Mô hình chung của mạng tiếp điện nối tiếp gồm các phần tử được sắp xếp thẳng hàng và được tiếp điện qua từng đoạn trên cùng một đường truyền Hình 1.10 minh họa cấu trúc của hai kiểu tiếp điện trong mạng tiếp điện nối tiếp: mạng tiếp điện nối tiếp tiếp điện đường thẳng (hình 1.10a) và tiếp điện phân nhánh (hình

24

1.10b) Mạng tiếp điện kiểu nối tiếp chiếm không gian nhỏ nhất với tổn thất chèn thấp nhất, nhưng khó kiểm soát phân cực và băng thông hẹp hơn so với kiểu tiếp điện phân nhánh [20]

Mạng tiếp điện nối tiếp được phân thành hai loại: mạng tiếp điện cộng hưởng nếu kết thúc đường truyền là hở mạch hoặc ngắn mạch và mạng tiếp điện sóng chạy nếu kết thúc đường truyền là tải được phối hợp trở kháng Trong mạng cộng hưởng, khoảng cách giữa hai phần tử là một bước sóng trên đường truyền, do vậy mà hướng búp sóng chính vuông góc với mảng Cũng vì lý do này, băng thông của mảng cộng hưởng thường rất hẹp Đối với mảng sóng chạy, do điểm kết thúc đường truyền là một tải được phối hợp trở kháng nên có nó có thể hấp thụ toàn bộ phần công suất không bức xạ, do vậy mà mảng sóng chạy có băng thông trở kháng lớn hơn [20] Trên thực tế, khoảng cách giữa hai phần tử là g trong mạng tiếp điện

cộng hưởng thường bao gồm đoạn đường truyền 3g /4 và bộ chuyển đổi g /4 [12,

39, 51, 61] để tạo phân bố dòng và phối hợp trở kháng

1.2 Phương pháp trọng số trong thiết kế anten mảng

1.2.1 Trọng số pha

Anten mảng tuyến tính đã trình bày ở phần 1.1.2 có búp sóng cực đại theo hướng θ = 900 Phương pháp đơn giản nhất để thay đổi hướng búp sóng chính của mảng được thực hiện bằng cách điều chỉnh pha kích thích  giữa các phần tử bức xạ

của mảng Nếu hướng búp chính mong muốn d = 0 thì khi đó  = 0, tức là

Do đó, bằng cách điều chỉnh pha giữa các phần tử thì hướng bức