CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Cấu trúc của luận văn Chương 1: Tổng quan về anten Chư ng 1 trình bày một cách t ng quát về anten, cho ta hi u về khái niệm anten là gì, các công thức tính toán và các công thức c bản

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THỊ HƯƠNG

Đà Nẵng – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan nội dung của luận văn “Cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải

sử dụng bề mặt Metamaterial” không phải là bản sao chép của bất cứ luận văn hoặc công trình đã có từ trước Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 01 tháng 7 năm 2017

Học viên thực hiện

Trần Quang Phong

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 4

1.1 Giới thiệu chư ng 4

1.2 Khái niệm nten 4

1.3 Quá trình vật lý của bức xạ sóng điện từ 5

1.4 Hệ phư ng trình Maxwell 5

1.5 Các thông số c bản của anten 6

1.5.1 Trở kháng vào của anten 7

1.5.2 Hiệu suất của anten 7

1.5.3 Hệ số đ nh hướng 8

1.5.4 Độ lợi 8

1.5.5 Đồ th phư ng hướng và góc bức xạ của anten 9

1.5.6 Tính phân cực của anten 9

1.5.7 Dải tần của anten 10

1.5.8 Các hệ thống anten 11

1.6 Kết luận chư ng 12

Chương : ANTEN VI DẢI 13

2.1 Giới thiệu chư ng 13

2.2 Giới thiệu chung về anten vi dải 13

2.3 Các hình dạng c bản của anten vi dải 14

2.4 Đặc tính của anten vi dải 15

2.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 16

2.5.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 16

2.5.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục 17

2.5.3 Ghép nguồn bằng phư ng pháp ghép khe 17

2.5.4 Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần 18

2.6 Băng thông của anten vi dải 18

2.7 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải [4] 19

2.8 Trường bức xạ của anten vi dải 21

2.8.1 Thế vect và một số công thức tính trường bức xạ 21

2.8.2 Công suất bức xạ 23

2.8.3 Công suất tiêu tán 23

2.8.4 Năng lượng tích lũy 24

2.8.5 Trở kháng vào 24

2.9 Sự phân cực sóng 25

2.10 Kết luận chư ng 25

Chương : CÁC M H NH PH N T CH ANTEN VI DẢI 26

3.1 Giới thiệu chư ng 26

3.2 Các mô hình ph n tích anten vi dải 26

3.3 Mô hình đường truyền 26

3.3.1 Hiệu ứng viền 27

3.3.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng 28

3.4 Mô hình hốc cộng hưởng 29

3.4.1 Các mode trường – TMx 31

3.4.2 Trường bức xạ - Mode TMx010 34

3.4.3 Độ đ nh hướng 36

3.5 nh hưởng ghép tư ng h gi a hai anten vi dải 38

3.6 Kết luận chư ng 40

Chương 4 : METAMATERIAL 41

4.1 Giới thiệu chư ng 41

4.2 Vật liệu t ng hợp Right left-handed transmission line 41

4.2.1 Giới thiệu về LHMs 41

4.2.2 L thuyết về CRLH 42

4.3 Khái niệm về siêu vật liệu Metamaterial 45

4.3.1 L ch sử phát tri n 45

4.3.2 Đ nh ngh a 46

4.3.3 Tính chất 46

4.3.4 Ph n loại 47

4.3.5 ng dụng 49

4.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 49

4.5 Kết luận chư ng 50

Chương : THIẾT KẾ VÀ M PHỎNG 52

5.1 Giới thiệu chư ng 52

5.2 C sở l thuyết 52

5.3 Thiết kế 54

5.3.1 Anten Patch vi dải hình ch nhật 54

5.3.2 nten kết hợp MC 57

5.5 Kết luận chư ng 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI

SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL

Học viên: Trần Quang Phong Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60520203 Khóa 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Luận văn thực hiện thiết kế và mô phỏng anten patch vi dải hoạt

động ở tần số 2.4 GHz, sử dụng bề mặt Metamaterial Chất nền Rogers RT Duroid 5580 dày 1.6 mm, có hằng số điện môi là 2.2, được sử dụng đ thiết kế anten nten gốc là loại anten patch vi dải hình ch nhật, sử dụng cấu trúc inset-feed, có hiệu suất bức xạ thấp và băng thông hẹp nten thiết kế sau khi thêm vật liệu MC (Artificial Magnetic Conductor Surface) vào sẽ cải thiện đáng k các nhược đi m của anten gốc Luận văn sử dụng phần mềm Ansoft HFSS đ mô phỏng và thiết kế

Từ khóa – Hiệu suất bức xạ; độ lợi; metamaterial; MC; anten vi dải

IMPROVING GAIN FOR MICROSTRIP ANTENNAS

USING METAMATERIAL SUFACES

Abstract – This thesis designs and simulates patch antennas operating at 2.4

GHz using the Metamaterial surfaces A 1.6 mm thicker Rogers RT/ Duroid 5880

is used as a substrate material in the design of the antenna The relative permittivity of the substrate is 2.2 The conventional patch antenna is a rectangular patch antenna using an inset-feed structure, which have low gain and narrow bandwidth Antenna design that adding Artificial Magnetic Conductor Surface (AMC) will improve the disadvantages of the conventional antenna The thesis uses Ansoft HFSS software to simulate and design

Key words – Gain; metamaterial; AMC; microstrip antennas

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AMC Artificial Magnetic Conductor

Surface

Bề mặt chất dẫn từ nh n tạo

CRLH Composite Right/left-handed

transmission line metamaterial

Vật liệu t ng hợp tu n theo quy

t c bàn tay trái phải

DPS Double Positive mediums Chiết suất dư ng

FEM Finite Element Method Phư ng pháp phần tử h u hạn HFSS High Frequency Structural

Simulator

Mô phỏng cấu tr c tần số cao

LHMs Left Handed Materials Vật liệu thuận tay trái

TL General Transmision Line Đường truyền chung VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

5.2 So sánh các thông số của các anten đã thiết kế 67

2.5 Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép khe – Aperture coupled 17 2.6 Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần – Proximity Coupled 18 2.7 Ph n bố điện tích và d ng điện trong anten vi dải hình ch

3.2 Chiều dài vật l và chiều dài hiệu dụng miếng patch 29

3.4 Ph n tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ 32

3.6 S p xếp anten vi dải trong mặt phẳng E và H 38 4.1 S đồ mạch tư ng đư ng RC của các mô hình PRH a ,

4.7 Mô hình t hợp của vật liệu plasma điện và từ 48 4.8 Mô hình vật liệu hấp thụ và kết quả mô phỏng đo đạc 49

5.3 S đồ tư ng đư ng của cấu tr c đường truyền 52 5.4 Hình dạng và kích thước anten patch vi dải hình ch nhật 56 5.5 Đồ th S11 của anten patch vi dải hình ch nhật 56

Số hiệu

5.6 Mô hình bức xạ của anten patch vi dải hình ch nhật 57

5.8 S đồ bố trí các tấm AMC 28x29 mm theo cách 1 58 5.9 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo

5.10 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm

5.11 S đồ bố trí các tấm AMC 28x29 mm theo cách 2 60 5.12 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo

5.13 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm

5.14 S đồ bố trí các tấm AMC 28x29 mm theo cách 3 61 5.15 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo

5.16 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm

5.17 S đồ bố trí các tấm AMC 34x34 mm theo cách 1 63 5.18 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm theo

5.19 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm

5.20 S đồ bố trí các tấm AMC 34x34 mm theo cách 2 64 5.21 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm theo

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thế giới truyền thông không d y đã và đang phát tri n một cách mạnh mẽ như hiện nay, việc trao đ i thông tin không chỉ đ n thuần là đối thoại thông thường với băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con người ngày nay c n đ i hỏi phải được truy cập

d liệu, m thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng Vấn đề đặt ra là làm thế nào đ n ng cao dung lượng của hệ thống trong khi băng tần của vô tuyến ngày càng hạn hẹp? Các anten phẳng như anten vi dải có các ưu đi m hấp dẫn như kích thước nhỏ, chi phí thấp và dễ g n lên các thiết b đầu cuối, ch ng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên Tuy nhiên, anten vi dải có nhược đi m là băng thông hẹp và độ lợi thấp và suy hao sóng bề mặt nên việc nghiên cứu đ mở rộng băng thông cũng như tăng hiệu suất anten là nhu cầu cần thiết đối với các ứng dụng thực tế hiện nay

Khoảng 15 năm từ khi khi Metamaterials xuất hiện như một hướng nghiên cứu khoa học mới trong l nh vực điện từ trường, quang học, vật l học và các anten được xem là ứng dụng thành công nhất của siêu vật liệu này Nó đã tạo ra nhiều công nghệ mới hoặc cải tiến ở mức độ cao Ngày nay, anten Metamaterials đang được thiết kế và sản xuất cho truyền thông không d y, truyền năng lượng, và số lượng cảm biến ngày càng tăng nhanh chóng, nhất là trong thời đại Internet of Things IoT phát tri n như

hiện nay Do đó, tôi đã chọn đề tài “Cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải sử

dụng bề mặt Metamaterial”, nhằm cải thiện hiệu quả h n n a hiệu suất của anten vi

dải, góp phần phục vụ nhu cầu viễn thông của xã hội ngày một tốt h n

Bảng 1.0 Số lượng bài báo liên quan đến anten metamaterial Nguồn: Thomson

Reuters Web of ScienceTM

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải

- So sánh và đánh giá hiệu quả của thiết kế so với anten chu n và các thiết kế có trước

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: anten Metamaterial

- Phạm vi nghiên cứu: mô phỏng và đánh giá kết quả

4 Phương pháp nghiên cứu

Phư ng pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu l thuyết và

mô phỏng đ làm rõ nội dung đề tài Cụ th như sau:

- Nghiên cứu và thiết kế anten vi dải

- Nghiên cứu cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt Metamaterial

- Sử dụng phần mềm HFSS đ mô phỏng

- So sánh và đánh giá kết quả thực hiện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mặc dù đã manh nha từ l u nhưng kỷ nguyên IoT chỉ thực sự được sự được ch

và bùng n trong nh ng năm gần đ y, sau sự phát tri n của điện thoại thông minh, máy tính bảng và nh ng kết nối không d y,…Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết b mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết b di động, tivi, máy giặt, …Tất cả nh ng bộ cảm biến

sẽ tạo ra hàng n i d liệu, do đó sẽ th c đ y các nhà cung cấp mạng di động phải n ng cấp hạ tầng mạng, nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải ngày càng tăng của thế giới IoT Việc nghiên cứu cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten có ngh a khoa học trong việc tăng chất lượng thiết b đầu cuối, đáp ứng yêu cầu viễn thông thực tiễn của xã hội

6 Cấu trúc của luận văn

Chương 1: Tổng quan về anten

Chư ng 1 trình bày một cách t ng quát về anten, cho ta hi u về khái niệm anten

là gì, các công thức tính toán và các công thức c bản liên quan về anten (như trở kháng vào, hiệu suất, hệ số đ nh hướng, đồ th phư ng hướng, công suất bức xạ đẳng hướng tư ng đư ng, tính ph n cực, dải tần của anten và ứng dụng của anten vào đời sống

Chương : L thu ết anten vi dải

Chư ng 2 giới thiệu chi tiết về anten vi dải, đ y là một loại anten ph biến, đ n giản, với nhiều hình dạng khác nhau, qua chư ng này ta hi u được một số đặc tính của anten như thế vect , công suất, năng lượng tích lũy và trở kháng vào…, các k thuật cấp nguồn cho anen , băng thông cũng như nguyên l bức xạ của anten vi dải

Chương : Các m h nh ph n tích anten vi dải

Chư ng 3 trình bày các mô hình ph n tích của anten vi dải như mô hình đường truyền và mô hình hốc cộng hưởng

Chương 4: Metamaterial

Vật liệu Metamaterial là một loại vật liệu đặc biệt mà các tính chất phụ thuộc chủ yếu vào cấu tr c, ch ng có một số tính chất đặc biệt mà vật liệu thông thường không có Vật liệu Metamaterial thường có hằng số điện môi m, độ từ th m m hay chiết suất m, do đó các tính chất của Metamaterial trở nên bất thường so với vật liệu thông thường Nội dung chư ng 4 cung cấp thêm một số công thức và một số ứng dụng c bản của vật liệu Metamaterial Việc tìm hi u và n m rõ về tính chất của vật liệu là tiền đề đ tiến hành thiết kế và mô phỏng anten

Chương : Thiết kế và m phỏng

Chư ng 5 trình bày thiết kế và mô phỏng anten vi dải c bản và anten metamaterial So sánh các thiết kế và đưa ra kết luận

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN

1.1 Giới thiệu chương

nten là một l nh vực nghiên cứu khó, c sở l thuyết khá phức tạp Vì vậy việc nghiên cứu đ i hỏi nhiều thời gian, công sức Tuy nhiên nếu n m v ng được các kiến thức c bản về anten thì việc ứng dụng vào thực tiễn trở nên đ n giản h n Trong chư ng 1 , các khái niệm c bản về anten, phư ng trình Maxwell cũng như một số thông số c bản của nten được trình bày một cách chi tiết và cụ th

1.2 Khái niệm Anten

nten là thiết b dùng đ bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài

Với sự phát tri n của kỹ thuật trong l nh vực thông tin, ra đa điều khi n… cũng

đ i hỏi anten không chỉ đ n thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà c n tham gia vào quá trình gia công tín hiệu

Trong trường hợp t ng quát, anten được hi u là một t hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc ph n phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau trường hợp anten phát , hoặc hệ thống gia công tín hiệu trường hợp anten thu

Hình 1.1 Hệ thống thu và phát tín hiệu [2]

1.3 Quá tr nh vật l của bức xạ sóng điện từ [2]

Về nguyên l , 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 nh ng điều kiện nhất đ nh

Đ ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đ i thì trong không gian của tụ

sẽ phát sinh điện trường biến thiên nhưng điện từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà b ràng buộc với các phần tử của mạch D ng điện d ch chuy n qua tụ điện theo đường ng n nhất trong khoảng không gian gi a hai má tụ điện nên năng lượng trường b giới hạn trong khoảng không gian ấy C n năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một th tích nhỏ trong l ng cuộn cảm Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có t n hao nhiệt trong các d y dẫn và điện môi của mạch Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì d ng d ch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo

ra điện trường biến thiên với biên độ lớn h n 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 ch ng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, ngh a là các đường sức điện sẽ không c n ràng buộc với điện tích của 2 má tụ n a mà ch ng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đ i từ trường biến

đ i 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 h u công Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

1.4 Hệ phương tr nh Maxwell

Toàn bộ l thuyết về anten được x y dựng trên c sở nh ng phư ng trình c bản của điện động lực học là các phư ng trình Maxwell [2].Trong phần này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đ i điều h a theo thời gian, ngh a là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức

⃗⃗ ( ̅ ) ̅ ( ) (1.1a)

⃗⃗ ( ⃗⃗ ) ⃗⃗ ( ) (1.1b) Các phư ng trình Maxwell ở dạng vi ph n được viết dưới dạng

⃗⃗ ̅ ̅ (1.2) ̅ ̅ (1.3)

̅ (1.4) ̅ (1.5) Trong đó :

̅ là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: V m

̅ là biên độ phức của vecto cường độ từ trường: m

Hệ số điện th m phức của môi trường được tính theo công thức:

(

Trong đó:

hệ số điện th m tuyệt đối của môi trường: F m

hệ số từ th m của môi trường: H m

điện dẫn xuất của môi trường: Si m

̅ là biên độ phức của vecto mật độ d ng điện: ( )

là mật đọ khối cua điện tích: ( )

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là d ng điện và điện tích Nhưng trong môt

số trường hợp, đ dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phư ng trình Maxwell các đại lượng d ng từ và từ tích Khái niệm d ng

từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ ch ng không có trong tự nhiên

Kết hợp với nguyên l đ i lẫn, hệ phư ng trình Maxwell t ng quát được viết như sau:

̅ ̅ ̅ (1.7) ̅ ̅ ̅ (1.8)

̅ (1.10) Giải hệ phư ng trình Maxwell ta được nghiệm là E và H Trong phư ng trình nghiệm đó cho ch ng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền

1.5 Các th ng số cơ bản của anten

Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện c bản sau đ y:

- Trở kháng vào

- Hiệu suất

1.5.2 Trở kháng vào của anten [1]

Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số gi a điện áp UA đặt vào anten và d ng điện IA trong anten:

Trở kháng vào của anten ngoài ra c n phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp c n phụ thuộc vào vật đặt gần anten

Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác đ nh bởi công suất đặt vào anten

PA và d ng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác đ nh bởi đặc tính ph n

bố d ng điện và điện áp dọc theo anten đối với anten d y và trong một số trường hợp

cụ th có th tính toán theo các bi u thức của đường d y truyền sóng

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất đ nh vì vậy đ có th truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng

gi a đầu ra máy phát và đầu vào của anten

1.5.3 Hiệu suất của anten

nten được xem là thiết b chuy n đ i năng lượng, do đó một số thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất anten được tính bằng công thức [2]

(1.13) Trong đó : : Hiệu suất t ng

: Hiệu suất phản xạ : Hiệu suất điện dẫn : Hiệu suất điện môi Công thức 1.13 được viết lại thành ( | | ) (1.14)

Trong đó: : Hệ số phản xạ,

: Hiệu suất bức xạ của anten VSWR : Hệ số sóng đứng của anten , VSWR = | |

D( ) là hệ số đ nh hướng của anten có hướng với phư ng ( )

( ) : Cường độ bức xạ theo hướng ( )

Độ lợi tuyệt đối của anten

( ) ( ) ( ) (1.21) Trong đó: : Hiệu suất t ng

: Hiệu suất phản xạ

: Hiệu suất bức xạ ( ): Hệ số đ nh hướng

1.5.6 Đồ th phương hư ng và góc bức xạ của anten

Mọi anten đều có tính phư ng hướng ngh a là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có th ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu h n hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác đ nh được tính hướng tính của anten Hướng tính của anten ngoài các thông số về hệ số đ nh hướng như đã ph n tích ở trên c n được đặc trưng bởi đồ th phư ng hướng của anten

Đồ th phư ng hướng là một đường cong bi u th quan hệ phụ thuộc giá tr tư ng đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại nh ng đi m có khoảng cách bằng nhau và được bi u th trong hệ tọa độ cực tư ng ứng với các phư ng của đi m xem xét

Hình 1.2 Đồ th phư ng hướng trong tọa độ cực và tọa độ góc [4]

Dạng đồ th phư ng hướng có giá tr trường theo phư ng cực đại bằng một như vậy được gọi đồ th phư ng hướng chu n hóa Nó cho phép so sánh đồ th phư ng hướng của anten khác nhau Trong không gian, đồ th phư ng hướng của anten có dạng hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng đứng (góc )

1.5.7 Tính phân cực của anten

Trong trường hợp t ng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector ⃗ ⃗⃗ có biên độ và pha biến đ i Theo quy ước, sự ph n cực của sóng được đánh giá và xem xét theo sự biến đ i của vector điện trường Cụ th là, hình chiếu của đi m đầu m t

đi m cực đại của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phư ng truyền lan của sóng sẽ xác đ nh dạng ph n cực của sóng

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì ph n cực là elip; nếu hình chiếu là hình tr n thì ph n cực là tr n và nếu là dạng đường thẳng thì là ph n cực thẳng Trong trường hợp t ng quát thì dạng elip là dạng t ng quát c n ph n cực thẳng và tr n chỉ là trường hợp riêng của dạng elip

Hình 1.3 Các dạng ph n cực của anten Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng ph n cực Ví dụ đ truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten ph n cực thẳng đứng bởi vì t n hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé h n nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc đ phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện l thường sử dụng anten ph n cực ngang bởi vì t n hao thành phần ngang của điện trường bé h n nhiều so với thành phần đứng

1.5.8 Dải tần của anten

Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten nhận các giá tr trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy đ nh là mức nửa công suất Ngh a là các tần số lệch với tần số chu n của anten thì việc lệch chu n đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của anten thường gọi

là tần số công tác

Thường dải tần được ph n làm 4 nhóm [1]

- nten dải tần hẹp anten tiêu chu n :

Trong đó:

1.5.9 Các hệ thống anten

- Anten thông dụng: anten r u ô tô, anten tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải trong các thiết b di động

- Trạm tiếp sóng viba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa

- Hệ thống thông tin vệ tinh

- nten phục vụ nghiên cứu khoa học

Bảng 1.1 ng dụng của anten theo băng tần [1]

3 – 30Khz Very low freq (VLF) Đạo hàng , đ nh v

30 – 300KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng

300 – 3000Khz Medium Freq(MF) Phát thanh M, hàng hải, trạm thông

tin duyên hải, tìm kiếm

3 – 30 Mhz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát thành sóng

ng n, hàng hải, hàng không

30 – 300Mhz Very High Freq (VHF) TV, Phát thành FM, điều khi n giao

thông, cánh sát, taxi, đạo hàng

300 – 3000MHz Ultra High Freq(UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám,

1.6 Kết luận chương

Chư ng 1 đã trình bày một cách t ng quát về anten, cho ta hi u về khái niệm anten là gì, các công thức tính toán và các công thức c bản liên quan về anten như trở kháng vào, hiệu suất, hệ số đ nh hướng, đồ th phư ng hướng, công suất bức xạ đẳng hướng tư ng đư ng, tính ph n cực, dải tần của anten và ứng dụng của anten vào đời sống Các thông số về anten đều dựa trên c sở là các phư ng trình c bản Maxwell Dựa vào các thông số c bản của anten, ta có th so sánh đánh giá hiệu suất của các loại anten khác nhau Tuy chưa hoàn toàn đầy đủ nhất về anten nhưng nội dung của chư ng 1 cũng đã cung cấp các tiền đề c bản cho chư ng 2 đ đi s u vào nghiên cứu về anten vi dải

Chương : ANTEN VI DẢI

2.1 Giới thiệu chương

Trong chư ng 2, ch ng ta sẽ tìm hi u chi tiết về anten vi dải, cụ th là các hình dạng c bản, đặc tính của anten, các k thuật cấp nguồn cho anten, băng thông cũng như nguyên l bức xạ của anten vi dải

2.2 Giới thiệu chung về anten vi dải

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

1953 Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo nten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát tri n bởi Howell và Munson và được tiếp tục nghiên cứu và phát tri n trong nhiều l nh vực khác nhau

Anten vi dải đ n giản nhất bao gồm một miếng kim loại rất mỏng bề dày

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

kế đ có đồ th bức xạ cực đại Điều này được thực hiện bằng cách lựa chọn đ ng mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch Bức xạ end-fire cũng có

th thực hiện được bằng cách lựa chọn đ ng mode hoạt động Đối với một patch hình

ch nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng λ0 3 < L< λ0 2 Patch và mặt

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

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

điện môi của ch ng thường nằm trong khoảng 2.2< ε r < 12 Nh ng lớp điện môi được

sử dụng đ thiết kế anten hầu hết là nh ng nền dày, hằng số điện môi của ch ng

thường thấp h n giá tr ở cuối dải vì ch ng cho hiệu suất tốt h n, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trường t n hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn h n Giới hạn sự bức xạ các trường t n hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn h n Nền mỏng với hằng số điện môi lớn h n có th được

sử dụng đ thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì ch ng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ đ giảm thi u sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ h n Tuy nhiên vì sự mất mát lớn h n, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ h n

2.3 Các h nh dạng cơ bản của anten vi dải

nten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số h n các anten truyền thống khác

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

Hình 2.2 Các dạng anten vi dải thông dụng

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

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

 Anten patch vi dải

Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng c n lại của đế nten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức

xạ của ch ng hầu như giống nhau do ch ng hoạt động giống như một dipole Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tr n là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi

 Dipole vi dải

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số L W Bề rộng của dipole thông thường bé h n 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do Đồ th bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống nhau tuy nhiên ch ng có các đặc tính khác nhau như: điện trở bức xạ, băng thông và

bức xạ ph n cực chéo cross-polar) nten dipole vi dải thì thích hợp với các ứng

dụng ở tần số cao do ch ng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tư ng đối dày do vậy ch ng đạt được băng thông đáng k Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi ph n tích anten dipole vi dải

 Printed Slot Antenna

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

đế được nối đất ground substrate Khe này có th có nhiều hình dạng khác nhau như

là: hình ch nhật, hình tr n, hình nến, nten loại này bức xạ theo hai hướng ngh a là

ch ng bức xạ trên hai mặt của khe, ch ng ta có th tạo ra bức xạ đ n hướng bằng cách

sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe

 Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)

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

đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng đ có th h trợ chế độ truyền TE Trong đó, đầu

của anten được nối đất và đầu c n lại được phối hợp trở kháng đ tránh hiện tượng

sóng đứng trên anten nten MTA có th được thiết kế đ hướng b p sóng chính trong bất kỳ phư ng nào từ broadside đến endfire

2.4 Đặc tính của anten vi dải

nten vi dải Microstrip Antennas - MSA có nhiều thuận lợi so với các loại

anten truyền thống khác Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong

khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz MSA đã chứng tỏ là một thiết b phát xạ hiệu

quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu đi m, tuy nhiên, nó vẫn c n một số khuyết đi m cần được kh c phục

 Ưu đi m:

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

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

 Có khả năng ph n cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đ n giản

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

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

 Một số MSA có độ lợi thấp

 Khả năng tích tr công suất thấp

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

đất

 Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối

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

nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải ph rộng

Với nh ng ưu đi m vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng

 Một số ứng dụng của MSAs:

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

được dùng

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

 Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA đ đ nh v

 Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của ch ng

 GSM hay GPS cũng có th dùng MSA

2.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải

Các phư ng pháp ph biến dùng đ cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử

dụng đường truyền vi dải, sử dụng cáp đồng trục, ghép khe aperture-coupling), ghép gần proximiti-coupling) [4]

Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Tuy nhiên, yếu

tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lượng gi a phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng gi a hai phần với nhau Ngoài ra, việc chuy n đ i trở kháng bước, việc uốn cong, cũng làm phát sinh bức xạ r và suy hao sóng mặt Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đồ th bức xạ của anten

vi dải việc giảm thi u bức xạ r và nh ng ảnh hưởng của nó lên đồ th bức xạ là một trong nh ng yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay không?

2.5.1 Cấp nguồn bằng ường truyền vi dải

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

là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có th được xem là một đường truyền vi dải hở

và cả hai có th được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này có vài hạn

chế Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước đoạn feed

line là đáng k so với patch

GND Feed

Hình 2.3 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải

2.5.2 Cấp nguồn bằng probe ồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong nh ng phư ng pháp c bản nhất đ truyền tải công suất cao tần Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với ground plane Ưu đi m của cách này là đ n giản trong quá trình thiết kế,

có khả năng feed tại mọi v trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng

Tuy nhiên cách này có nhược đi m là:

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

hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đ i hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đ i hỏi phải tăng bề dày

lớp nền cũng như chiều dài của probe Kết quả là bức xạ r và điện cảm của probe

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 2.5 Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép khe – Aperture coupled

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

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

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

thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao đ nh m mục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten Tuy nhiên, phư ng thức cấp nguồn này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten Phư ng pháp cấp nguồn này thì cho băng hẹp

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 2.6 Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần – Proximity Coupled

Phư ng pháp này cũng được gọi là phư ng pháp ghép điện từ Phư ng pháp này

về bản chất là ghép điện dung gi a patch và đường cấp nguồn Thông số của hai lớp nền có th được lựa chọn đ cải thiện băng thông và giảm bức xạ r ở đầu cuối hở của đường truyền Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi thứ hai cũng mỏng h n Bức

xạ trong trường hợp này sẽ lớn h n Tuy nhiên phư ng pháp này phức tạp h n khi chế tạo và sản xuất

2.6 Băng th ng của anten vi dải

Độ rộng băng thông của anten mạch dải được đ nh ngh a là khoảng tần số mà trên đó anten phối hợp tốt với đường d y tiếp điện trong một giới hạn xác đ nh Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra

Độ rộng bằng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp Ví dụ, độ rộng băng tần với tỷ lệ sóng đứng nhỏ h n 2:1 có th tính toàn theo công thức kinh nghiệm sau :

(

) (2.1) Trong đó :

: là độ rộng băng

f là tần số hoạt động

t là độ dày điện môi

Đ tăng độ rộng băng có th sử dụng lớp điện môi dày với hằng số điện môi thấp Tuy nhiên trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.1 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten

2.7 Nguyên l bức xạ của anten vi dải [4]

Ch ng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu tr c tư ng tự như là anten vi dải, có th giảm đáng k nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ số điện môi tư ng đối thấp Hay nói cách khác, nó gi p cho bức xạ anten vi dải tốt h n với hiệu suất bức xạ cao h n Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ th m thấp Bức xạ từ anten vi dải có th được xác đ nh từ ph n bố trường gi a patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng ph n bố d ng điện mặt trên bề mặt

của patch

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

Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự ph n bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất Dưới tác dụng của

các lực đ y, hình thành do các lực tư ng tác gi a các điện tử cùng dấu, trên bề mặt của

patch làm cho một số điện tích ở các vùng rìa của patch d ch chuy n từ bề mặt dưới

lên bề mặt trên của patch Sự d ch chuy n của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vect mật độ d ng mặt dưới Juurbvà vect mật độ d ng mặt trên uurJ t

Hình 2.7 Ph n bố điện tích và d ng điện trong anten vi dải hình ch nhật

Do trong hầu hết các anten tỷ số h W là rất bé vì thế lực h t gi a các điện tích

chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và d ng vẫn tồn tại bên dưới patch bề

mặt Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ d ng d ch chuy n từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa của

patch Do vậy, đ đ n giản cho việc tính toán, ch ng ta xấp xỉ rằng từ trường tiếp

tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có th thành lập các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả đ nh này càng hợp l h n trong trường hợp đế điện môi

có bề dày mỏng với hằng số điện môi rlớn Tư ng tự như trường hợp của trường điện

từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không đ i và trường điện gần như vuông góc

với bề mặt của patch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có th được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng cavity với các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới do trường điện thì vuông góc với bề mặt của patch và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch do trường từ tiếp tuyến gần như bằng không Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ có các mode TM là có th truyền

trong hốc cộng hưởng

Bốn bức tường bên của hốc cộng hưởng tư ng ứng cho bốn khe bức xạ Patch

của anten vi dải có th tượng trưng bằng một vect mật độ d ng Juurttư ng ứng Trong khi đó, bốn khe bức xạ ở các mặt bên được đặc trưng bằng các vect mật độ d ng J s

Juurn  n H$ uuura (2.8)

Muuurs   n E$ ura (2.9)

Vì ta xét đế điện môi có độ dày mỏng nên mật độ d ng trên uurJ t rất bé so với mật

độ d ng dưới uurJ b của patch Do đó, Juurt sẽ được đặt bằng không đ chỉ ra rằng hầu như

không có bức xạ từ bề mặt của patch Tư ng tự như thế, các trường từ tiếp tuyến dọc theo rìa của patch và mật độ d ng tư ng ứng Muuurs được đặt bằng không Do vậy, chỉ

c n lại một thành phần mật độ d ng khác không là vect mật độ d ng Muuurs dọc theo

chu vi patch Đ bi u diễn sự hiện diện của mặt phẳng đất ta sử dụng l thuyết ảnh

rằng mật độ d ng sẽ tăng gấp đôi so với khi chưa xét mặt phẳng đất Mật độ d ng mới

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

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

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

thành phần với các thành phần mật độ d ng cùng biên độ và pha và cách nhau một

khoảng L – chiều dài của patch Do đó, bức xạ từ patch có th được miêu tả dưới dạng hai khe dọc vertical slots)

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

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

trưng bởi các khe tư ng ứng cùng loại

2.8 Trường bức xạ của anten vi dải

Trường bức xạ từ anten vi dải do d ng từ bề mặt giống như bức tường dọc theo

chu vi patch Ở một phư ng pháp khác nhưng k h n, trường bức xạ được xác đ nh từ

d ng điện bề mặt trên miếng patch dẫn điện của anten vi dải Cả hai phư ng pháp này

được xem là tư ng đư ng nhau Sự bức xạ của anten vi dải đôi l c được xem như là sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch Đồ th bức xạ của một đầu hở của đường

truyền vi dải tư ng tự như đồ th bức xạ của một dipole Hertz Phư ng pháp này cũng được dùng đ tính toán sự ảnh hưởng của bức xạ lên hệ số ph m chất Q của khung

cộng hưởng vi dải L thuyết và kết quả thực nghiệm đã cho ta thấy rằng ở tần số cao, suy hao do bức xạ cao h n nhiều so với suy hao do điện dẫn và điện môi Ngoài ra, nó cũng cho ta thấy rằng đường truyền vi dải hở mạch bức xạ công suất mạnh h n khi được chế tạo với lớp điện môi dày có hằng số điện môi thấp

Vect thế được dùng đ xác đ nh trường bức xạ do d ng điện mặt

2.8.1 Thế vectơ và m t số công thức tính trường bức xạ

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

kỳ đi m P(r,θ,Ф) bên ngoài anten được bi u diễn như sau:

Trong đó, k 0 là hằng số sóng trong không gian tự do và M ruur r( ')là mật độ d ng từ

bề mặt tại đi m cách gốc tọa độ một khoảng cách r’

Tư ng tự, bằng cách sử dụng thế vact từ, A ur, trường do d ng điện g y ra có th được bi u diễn:

Đối với trường vùng xa, thành phần trường quan rọng là các thành phần vuông

góc với hướng truyền sóng, tức là, thành phần theo θ và Ф Chỉ xét riêng d ng từ, ta

0

r E H

số, ta được:

0

0 'cos

( ') ' 4

jk r

jk r s

jk r

jk r s

Công suất bức xạ của anten có th được tính bằng cách lấy tích ph n của vect

Poynting trên khe bức xạ:

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

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

ta có th tính toán công suất bức xạ từ đồ th bức xạ theo phư ng trình sau:

0

1(| | | | ) sin2

r



   (2.26)

2.8.3 Công suất tiêu tán

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

2 ( *)2

s c

Ta tính được suy hao điện môi bằng cách lấy tích ph n trên toàn bộ th tích của hốc cộng hưởng vi dải:

2.8.4 Năng ượng tích ũy

Năng lượng tích lũy trong anten vi dải là t ng năng lượng của hai thành phần điện và từ:

1( | | | | )4

V

W W W    E  H dV (2.29)

Trong đó, μ là độ từ th m Tại tần số cộng hưởng năng lượng điện và từ bằng

nhau Khi đó năng lượng tích lũy:

2

| |2

*

c in v

P  E J dVuruur (2.31)

Trong đó, J[A/m 2

] là mật độ d ng điện của nguồn đồng trục, kí hiệu “c” chỉ ra

rằng nguồn cấp là nguồn đồng trục Nếu d ng trong cáp đồng trục theo hướng z và giả

in

P  E x y I z dz (2.32)

Trong đó, (x 0 ,y 0 ) là tọa độ đi m cấp nguồn Do đó, trở kháng ngỏ vào có th được

tính dựa vào quan hệ P in =|I in | 2 Z in:

*

2 0

( , )

( ') '

| |

h in

in in in

V Z I

V  E x y dz  hE x y (2.35)

2.9 Sự ph n cực sóng

Ph n cực của anten theo hướng đã cho được xác đ nh như ph n cực sóng bức xạ bởi anten Ch khi hướng không được nói rõ thì ph n cực được xem xét là ph n cực theo hướng có độ lợi cực đại Sự ph n cực của sóng được đ nh ngh a là hình ảnh đ lại bởi đầu m t của vect trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng Ph n cực

có th được ph n loại như ph n cực tuyến tính, tr n, ellipse Nếu vect mô tả trường điện tại một đi m trong không gian là hàm của thời gian luôn luôn có hướng dọc theo một đường thì trường được gọi là ph n cực tuyến tính Tuy nhiên, nến hình dạng mà trường điện vạch ra là một ellipse thì trường được gọi là ph n cực ellipse Ph n cực tuyến tính và ph n cực tr n là trường hợp đặc biệt của ph n cực ellipse vì ch ng có th đạt được khi ellipse trở nên một đường thẳng hay đường tr n tư ng ứng

F   : Hàm biên độ trường

2.10 Kết luận chương

Chư ng 2 đã giới thiệu chi tiết về anten vi dải, đ y là một loại anten ph biến,

đ n giản, với nhiều hình dạng khác nhau, qua chư ng này ta hi u được một số đặc tính của anten như thế vecto, công suất, năng lượng tích lũy và trở kháng vào…, các k thuật cấp nguồn cho anen , băng thông cũng như nguyên l bức xạ của anten vi dải Với nh ng lượng kiến thức đã trình bày ở chư ng 2, ch ng ta vẫn chưa th thiết kế được anten mà phải sang chư ng 3 đ tìm hi u về các mô hình ph n tích của anten vi dải Và đ y chính là c sở và tiền đề cho việc thiết kế cũng như mô phỏng anten

Chương : CÁC M H NH PH N T CH ANTEN VI DẢI

3.1 Giới thiệu chương

Có nhiều phư ng pháp khác nhau đ ph n tích anten vi dải Mỗi phư ng pháp đưa ra một mô hình gần đ ng cho anten đ ph n tích Mô hình ph biến nhất là mô

hình đường truyền microstrip line , mô hình hốc cộng hưởng cavity model) Đ y

chính là nội dung chính của chư ng 3

3.2 Các m h nh ph n tích anten vi dải

Việc đưa ra các mô hình ph n tích có một ngh a thực tiễn rất lớn vì các lí do:

 Gi p ta giảm bớt một lượng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ bằng cách tác động vào quá trình thiết kế

 Gi p ta đánh giá một cách chính xác các ưu khuyết đi m của anten bằng cách nghiên cứu các thông số của nó

 Cung cấp các nguyên l hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu và phát tri n các thiết kế sau này

Mô hình đường truyền sóng xem một anten vi dải có patch hình ch nhật như là một đoạn của đường truyền vi dải Đ y là mô hình đ n giản nhất, nó cho ta một sự

hi u biết vật l s u s c nhưng kém chính xác và khó áp dụng cho các mô hình ghép, cũng như không th áp dụng cho các anten có dạng phức tạp

Khác với mô hình đường truyền sóng, mô hình hốc cộng hưởng có độ chính xác cao h n nhưng đồng thời cũng phức tạp h n Tuy nhiên, mô hình này ưu đi m là có

th áp dụng được trên nhiều dạng khác nhau của patch Cũng như mô hình đường

truyền sóng, mô hình hốc cộng hưởng cũng cho một sự hi u biết vật l s u s c và khá phức tạp khi áp dụng cho các mô hình ghép anten và nó cũng được sử dụng khá thành công Ở đ y, ta xem xét mô hình đường truyền và mô hình hốc cộng hưởng Tuy nhiên, trong đó cũng sử dụng một số kết quả tính toán và thiết kế của mô hình toàn sóng Trong đó, ch ng ta chỉ xem xét dạng anten vi dải ph biến và thực tế nhất là patch hình ch nhật

3.3 M h nh đường tru ền [4]

Mô hình đường truyền là dễ nhất cho tất cả các loại nhưng nó cho kết quả ít chính xác nhất vì nó thiếu tính linh hoạt Tuy nhiên, nó cho một sự hi u biết tư ng đối

rõ ràng về tính vật l Một microstrip anten hình ch nhật có th được mô tả như một

mảng của hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng là W, chiều cao là h và cách nhau

một khoảng L Mô hình đường truyền c bản diễn tả anten vi dải gồm hai khe ph n cách nhau bởi một đường truyền có trở kháng thấp Z c và có chiều dài L

3.3.1 Hiệu ứng viền

Do kích thước của patch b giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, trường tại gờ của patch b viền Nhìn chung viền của một hàm theo các kích thước của patch và chiều cao của lớp điện môi Trong mặt phẳng E-plane mặt phẳng x-y , viền là hàm theo tỷ số gi a chiều dài patch, bề dài lớp đi n môi (L/h), và hằng số điện môi r Khi

anten vi dải có L/h >> 1, hiệu ứng viền được giảm bớt, tuy nhiên nó phải được đưa

vào tính toán vì nó ảnh hưởng đáng k đến tần số cộng hưởng của anten

Như ta đã biết, hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp điện môi nền và

một phần của một số đường tồn tại trong không khí Khi L/h >>1,r >> 1, nh ng

đường sức điện trường tập trung hầu hết trong nền điện môi Hiệu ứng viền trong trường hợp này làm cho đường truyền vi dải trông có vẻ rộng về điện h n kích thước thực của nó Khi đó một vài sóng đi vào lớp điện môi nền, và một số khác đi vào trong không khí Hằng số điện môi hiệu dụng reff được sử dụng đ hiệu chỉnh các ảnh hưởng của hiệu ứng viền đối với sóng trên đường truyền

Đ đưa ra hằng số điện môi hiệu dụng, ch ng ta giả sử t m dẫn của đường truyền

vi dải với kích thước và chiều cao trên mặt phẳng đất nguyên thủy của nó được đưa vào một lớp điện môi đồng nhất Đối với một đường truyền với không khí ở trên nền, hằng số điện môi hiệu dụng có giá tr trong khoảng 1<reff <r Trong hầu hết các ứng dụng mà ở đó hằng số điện môi lớn h n nhiều so với 1 r>>1 , giá tr của hằng số điện môi hiệu dụng sẽ gần với giá tr hằng số điện môi thực h n Hằng số điện môi hiệu dụng cũng là hàm của tần số Khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đường sức điện trường tập trung trong nên điện môi Vì vậy đường truyền vi dải sẽ gần giống với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hằng số điện môi hiệu dụng tiến tới giá

tr của hằng số điện môi nền h n

Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là  c bản Tại tần số trung gian các giá tr của nó b t đầu tăng đều và cuối cùng tiến tới giá tr hằng số điện môi nền Giá

tr ban đầu tại tần số thấp của hằng số điện môi hiệu dụng được diễn tả như một giá

tr t nh

(c) Hằng số điện môi hiệu dụng

Hình 3.1 Hằng số điện môi hiệu dụng Hằng số điện môi hiệu dụng được cho bởi công thức :

1 2

3.3.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số c ng hưởng và chiều r ng hiệu dụng

Do hiệu ứng viền, patch của anten vi dải về mặt điện trông có vẻ lớn h n kích

thước vật l của nó trong mặt phẳng x-y Điều này được chứng minh trên hình 3.2, ở

đó chiều dài điện của patch vượt quá chiều dài vật l một khoảng L về mỗi phía, với

L

 là hàm của hằng số điện môi hiệu dụng và tỷ số chiều rộng trên bề dày điện môi

(W/h Khoảng chênh lệch gi a chiều dài điện và chiều dài thực này được tính xấp xỉ

theo công thức:

0.3 0.264 0.412

0.258 0.8

reff

reff

W h

W h

Giả sử, mode ưu thế là TM 010,tần số cộng hưởng của anten vi dải của mode này

là một hàm của chiều dài và được do bởi công thức:

0 010

1( )

r

v f

  (3.4)

Trong đó, v0 là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do Nhưng do hiệu ứng viền tác động đến chiều dài và hằng số điện môi hiệu dụng nên công thức trên phải được thay thế bằng :

re r

f q f



Hệ số q được diễn tả như là hệ số viền hệ số suy giảm chiều dài Khi chiều cao của

nền điện môi tăng hiệu ứng viền cũng tăng và dẫn đến sự khác biệt lớn gi a nh ng rìa bức xạ và các tần số cộng hưởng thấp h n

nten vi dải giống với các hốc điện môi đồng chất và ch ng ta đưa ra các cộng

hưởng bậc cao h n Các trường chu n hóa ở trong nền điện môi gi a patch và mặt

phẳng đất có th tìm được chính xác bằng cách xem vùng không gian gi a patch và mặt phẳng đất như một hốc cộng hưởng được giới hạn bới các vật điện dẫn ở trên và duới của nó , và nh ng bức tường từ đ xem như một mạch điện mở dọc theo chu vi

của patch Đ y là một mô hình gần đ ng mà về mặt nguyên t c dẫn đến một trở kháng

vào phản ứng với giá tr cộng hưởng bằng không hay vô hạn , và nó không bức xạ ra bất kì công suất nào Tuy nhiên giả sử rằng nh ng trường thực gần giống với trường