Thiết kế anten planar đa băng tần

- Yêu cầu anten được thiết kế có hình dáng và kích thước nhỏ gọn, đảm bảo dải thông ở 3dB, hệ số sóng đứng VSWR nhỏ hơn 2.5, hệ số ma trận tán xạ S11, hiệu suất và trường bức xạ… - Thực

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HÀ VĂN DUÂN

THẾT KẾ ANTEN PLANAR ĐA BĂNG TẦN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày …… tháng …… năm ……

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa(nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Hà Văn Duân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13/05/1981 Nơi sinh: Hưng Yên Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử(605270) MSHV: 01408362 Khóa(Năm trúng tuyển): 2008

I- TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế anten planar đa băng tần

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Thiết kế và mô phỏng anten planar hoạt động trên nhiều băng tần: GSM(890-960MHz); GSM(1710-1880MHz); CDMA(1920-2170MHz) và WLAN(2400-2483MHz)

- Yêu cầu anten được thiết kế có hình dáng và kích thước nhỏ gọn, đảm bảo dải thông ở 3dB, hệ số sóng đứng VSWR nhỏ hơn 2.5, hệ số

ma trận tán xạ S11, hiệu suất và trường bức xạ…

- Thực hiện thi công anten trên tấm đế vật liệu FR4 có hằng số điện môi là ε = 4.4, độ cao h = 1.6mm, đo đạc các thông số ma trận tán xạ của anten đã được chế tạo bằng máy đo Networks Analyzer và so sánh kiểm chứng với kết quả mô phỏng bằng các phần mềm CST và IE3D

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Phan Hồng Phương

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Chân thành cảm ơn Giáo viên hướng dẫn TS Phan Hồng Phương đã hỗ trợ

đắc lực cho việc hoàn thành luận văn

Chân thành cảm ơn đến gia đình, bố mẹ, cùng vợ là động lực tinh thần lớn trong thời gian thực hiện luận văn

Cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp!

TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ ANTEN PLANAR ĐA BĂNG TẦN

(THÁNG 11/2010)

Công việc thiết kế anten planar đa băng tần mà luận văn đang hướng tới là sử dụng tấm đế vật liệu FR4 có hằng số điện môi ε = 4.4 và chiều cao h = 1.6mm để thiết kế một anten có thể hoạt động trên nhiều băng tần: GSM(890-960MHz); GSM(1710-1880MHz); CDMA(1920-2170MHz) và WLAN(2400-2483MHz) Yêu cầu anten được thiết kế phải đảm bảo dải thông mỗi băng, hệ số sóng đứng VSWR

<2.5, hệ số tán xạ S11, độ lợi, búp sóng … Tạo ra các tần số cộng hưởng bằng cách thực hiện khoét các khe trên tấm đế vật liệu FR4 để tạo ra các hốc cộng hưởng, các tần số trung tâm được điều chỉnh bằng cách thay đổi, tối ưu vị trí và độ dài của từng khe, kích thước patch, cũng như mặt phẳng đất của tấm điện môi Anten được ứng dụng trong các thiết bị di động nhỏ gọn có thể sử dụng trong mạng GSM, CDMA

và Wifi Để thiết kế và mô phỏng được thuận lợi, đề tài sử dụng phần mềm mô phỏng và thiết kế anten CST[10] và IE3D[11]

MỤC LỤC

MỤC LỤC 6

CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ 9

DANH SÁCH HÌNH VẼ 11

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 15

Chương I MỞ ĐẦU 16

1.1 Đặt vấn đề và phạm vi nghiên cứu 16

1.2 Tổ chức luận văn 19

1.3 Cơ sở lý thuyết anten vi dải 19

1.3.1 Giới thiệu về anten vi dải 19

1.3.2 Cấu trúc anten vi dải 20

1.3.3 Các loại anten vi dải thông dụng 21

1.3.1.1 Anten patch vi dải 21

1.3.3.2 Anten dipole vi dải 22

1.3.3.3 Printed Slot Antenna 23

1.3.3.4 Microstrip Travelling-Wave Antennas(MTA) 24

1.3.3.5 Các đặc tính của anten vi dải 25

1.3.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 26

1.3.4.1 Phương pháp cấp nguồn bằng Proble đồng trục 26

1.3.4.2 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 28

1.3.4.3 Phương pháp cấp nguồn ghép gần(proximity-coupling) 30

1.3.4.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe (aperture-coupling) 31

1.3.5 Phân bố điện trường trên anten vi dải 33

1.3.6 Tính phân cực của anten vi dải 34

1.3.7 Băng thông của anten vi dải 36

1.3.8 Phân tích anten theo mô hình truyền vi dải 38

Chương 2 THIẾT KẾ ANTEN PLANAR ĐA BĂNG TẦN 47

2.1 Giới thiệu 47

2.2 Cơ sở thiết kế 48

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế 51

2.3.1 Vị trí đặt Feed 52

2.3.2 Chiều rộng W 53

2.3.3 Bề dày h 54

2.3.4 Hằng số điện môi εr 55

2.3.5 Mặt phẳng giới hạn 56

2.3.6 Ảnh hưởng của đường kính Probe 57

2.3.6 Ảnh hưởng của lớp bọc 58

2.4 Thiết kế và mô phỏng 60

2.4.1 Tính toán các kích thước ban đầu 60

2.4.1.1 Xác định kích thước ban đầu của Patch 60

2.4.1.2 Tính toán đường cấp nguồn 64

2.4.2 Mô phỏng và hiệu chỉnh cấu trúc 66

2.4.2.1 Tạo các khe cộng hưởng 67

2.4.2.2 Hiệu chỉnh cấu trúc 72

2.4.3 Kết quả mô phỏng và tiến hành chế tạo 76

2.4.3.1 Kết quả mô phỏng 76

2.4.3.2 Thi Công 82

2.4.3.3 So sánh kết quả 84

2.5 Kết luận 87

Chương 3 ĐO ĐẠC ANTEN VÀ ĐÁNH GIÁ 88

3.1 Đo đạc anten planar 88

3.1.2 Cách thức đo đạc các tham số 88

3.1.2 Kết quả đo các thông số phản xạ S11 88

3.1.3 Kết quả đo hệ số sóng đứng VSWR Error! Bookmark not defined 3.1.4 Kết quả đo trở kháng đầu vào 92

3.2 So sánh kết quả đo đạc và kết quả mô phỏng 92

3.3 Đánh giá 94

Chương 4 TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 95

4.1 Tổng kết 95

4.2 Hướng phát triển của đề tài 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 101

Ca Điện dung dọc theo chiều dài lớp đế điện môi

Cd Điện dung dọc theo chiều dài khi lớp đế điện môi thay bằng

lớp không khí

c Vận tốc truyền sóng điện từ trong môi trường không gian tự do

(tương đương với vận tốc ánh sang c≈ 3.0.10 8 m/s)

s Khe hở giữa hai đường vi dải song song

W Chiều rộng của đường vi dải đơn

CDMA Code Division Multiple Access

ECMA European Computer manufacturers Association

HWR Half-Wavelength Resonator

ISM The Industrial, Scientific And Medical

TEM-mode Transverse ElectroMagnetic

U-NII The Unlicensed National Information Infrastructure

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

WLAN Wide Local Area Network

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc và kết quả mô phỏng của bài báo [9] 18

Hình 1.2 Hình dạng cơ bản của anten vi dải 21

Hình 1.3 Các dạng anten patch vi dải 22

Hình 1.4 Hình dạng anten dipole vi dải 23

Hình 1.5 Các hình dạng cơ bản của Printed Slot Antenna 23

Hình 1.6 Hình dạng antne MTA 24

Hình 1.7 Cấp nguồn bằng proble đồng trục 27

Hình 1.8 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục 28

Hình 1.9 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 29

Hình 1.10 Sơ đồ tương đương cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 29

Hình 1.11 Phương pháp cấp nguồn ghép gần 30

Hình 1.12 Sơ đồ tương đương phương pháp cấp nguồn ghép gần 30

Hình 1.14 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe 31

Hình 1.15 Sơ đồ tương đương phương pháp ghép kênh 32

Hình 1.15 Mô hình phân bố trường trên patch 34

Hình 1.17 Tiếp điện bằng một đường truyền vi dải 35

Hình 1.18 Đồ thị bức xạ 3 chiều của anten 35

Hình 1.19 Tiếp điện bằng 2 đường vi dải .36

Hình 1.20 Đồ thị bức xạ 3 chiều của anten 36

Hình 1.21: Sự thay đổi của BW theo h/λ với 0 ε khác nhau 38r Hình 1.22 Sự thay đổi của ε theo W/h và eff ε khác nhau 40r Hình 1.23 Hằng số điện môi hiệu dụng 40

Hình 1.24 Sự thay đổi của ∆L / h theo W/h ở các giá trị ε khác nhau 41r

Hình 1.25 Chiều dài vật lý và hiệu dụng của patch 42

Hình 1.26 Mô hình patch chữ nhật và mạch điện tương đương 43

Hình 1.27 Trở kháng vào điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí Feed 46

Hình 2.1 Kết hợp hai patch riêng rẽ để đạt được anten 2 băng tần 48

Hình 2.2 Anten ba băng tần 48

Hình 2.3 Anten 2 băng tần có hốc cộng hưởng hình chữ U 49

Hình 2.4 Mô hình anten 2 băng tần 50

Hình 2.5 Mô hình patch có khe cộng hưởng có dạng phân nhánh 50

Hình 2.6 Lưu đồ quá trình thiết kế anten 51

Hình 2.7 Trở kháng vào và hệ số sóng đứng của anten ứng với 52

Hình 2.8 Trở kháng vào và VSWR khi thay đổi W 53

Hình 2.9 Trở kháng vào và hệ số VSWR khi thay đổi bề dày h 55

Hình 2.10 Trở kháng vào và VSWR cho 2 trường hợp của ground 56

Hình 2.11 So sánh tác động khi thay đổi mặt phẳng ground tới búp sóng 57

Hình 2.12 So sánh trở kháng vào và VSWR khi sử dụng SMA và N-type 58

Hình 2.13 Mô tả lớp vỏ bọc bên ngoài anten 58

Hình 2.14 Path với kích thước L=W=50mm 61

Hình 2.16 Patch với kích thước L=W=40mm 62

Hình 2.18 Patch với kích thước L=15mm, W=40mm 63

Hình 2.19 Tham số S trong trường hợp L=15mm, W=40mm 63

Hình 2.20 Cấu trúc đường vi dải 64

Hình 2.21 Tính toán độ rộng đường cấp nguồn W0 65

Hình 2.22 Cấu trúc và kết quả mô phỏng tham số S với đường Feedline 65

Hình 2.23 Kích thước đường Feedline và kết quả tham số S 66

Hình 2.24 Khoét một khe 1x39mm2 67

Hình 2.25 Kết quả mô phỏng trở kháng vào và tham số S11 68

Hình 2.26 Tạo khe cộng hưởng thứ hai 1x39mm2 69

Hình 2.27 Mô phỏng trở kháng vào và tham số S11 69

Hình 2.28 Tạo thêm khe cộng hưởng thứ 3 70

Hình 2.29 Trở kháng vào và hệ số phản xạ S11 71

Hình 2.30 Hiệu chỉnh Feedline và kết quả mô phỏng 72

Hình 2.31 Hiệu chỉnh kích thước patch nhằm điều chỉnh tần số cộng hưởng 0.9GHz .73

Hình 2.32 Kết quả khi điều chỉnh patch 73

Hình 2.33 Hiệu chỉnh kích thước slot và tham số S11 74

Hình 2.34 Cấu trúc mặt phẳng Ground và kết quả mô phỏng 75

Hình 2.35 Hình dáng và kích thước cụ thể của anten 76

Hình 2.36 Cấu trúc Patch và Ground 77

Hình 2.37 Kết quả hệ số phản xạ S11 77

Hình 2.38 Kết quả trở kháng đầu vào 78

Hình 2.39 Kết quả hệ số sóng đứng VSWR 79

Hình 2.40: Mô phỏng độ lợi của anten 79

Hình 2.41 Mô phỏng đồ thị bức xạ dạng 2D của anten(a, b, c, d) 82

Hình 2.42 Mặt trước của anten sau khi thi công 83

Hình 2.33 Mặt sau của anten sau khi thi công 83

Hình 2.44 Cấu trúc và kết quả mô phỏng S11 so sánh giữa phần mềm IE3D và CST 84

Hình 2.45 Hệ số sóng đứng VSWR được mô phỏng

bằng phần mềm IE3D và CST 85

Hình 2.46 So sánh vật liệu Roger và FR4 tham số S11 và độ lợi (a, b) 86

Hình 3.1 Kết quả khi hàn đầu nối không sát với Feedline 89

Hình 3.2 Kết quả đo khi mối hàn tạo ụ lớn 90

Hình 3.3 Kết quả đo đạc tham số S11 91

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng trở kháng đầu vào của aten 92

Hình 3.5 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng thông số S11 93

h=0.159cm, x=0.7cm, εr = 2 55 và h = 0.1cm) 59Bảng 2.5 So sánh băng thông và tần số cộng hưởng của anten thiết kế so với yêu cầu ban đầu đặt ra(S11<-10dB) 78Bảng 2.6 Độ lợi của anten tại các tần số cộng hưởng 80

Bảng 3.1 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng 94

Chương I MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề và phạm vi nghiên cứu

Ngày nay, nhu cầu về thông tin vô tuyến phát triển rất mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực, từ thông tin di động đến truy cập Internet không dây, y tế, môi trường… đã làm gia tăng các dịch vụ cũng như tính năng của các thiết bị thông tin

Thông tin vô tuyến thế hệ mới xuất hiện làm đa dạng các chuẩn, các dịch vụ

và thiết bị truyền thông, tất cả đều cạnh tranh và phát triển Trước hết, mỗi thiết bị

vô tuyến cần có một anten để thu phát tín hiệu, có ba vấn đề chính trong việc nghiên cứu và phát triển anten để có thể đáp ứng được những nhu cầu của hệ thống truyền thông hiện đại đó là: giảm nhỏ kích thước, hoạt động băng rộng hoặc đa băng và khả năng điều khiển đồ thị phương hướng sóng thích hợp

Xu hướng thứ nhất là giảm thiểu kích thước anten Các thiết bị truyền thông hiện nay ngày càng trở nên nhỏ gọn nhờ sự phát triển của công nghệ vi điện tử Anten cũng trở thành một thành phần quan trọng trong việc tích hợp vào các thiết

bị, dẫn đến kết quả là cần phải giảm nhỏ kích thước của anten Tuy nhiên, việc giảm nhỏ kích thước anten cần không làm ảnh hưởng đáng kể tới độ lợi và hiệu suất bức

xạ Đây chính là một thử thách cần phải giải quyết Xu hướng thứ hai là anten băng rộng và đa băng Với xu hướng tích hợp đa dịch vụ hiện nay càng tăng, một anten cần phải hỗ trợ hai hay nhiều dịch vụ vô tuyến thông qua một dải tần rộng Do đó, anten băng rộng và đa băng đang được phát triển để đáp ứng nhu cầu này Xu hướng thứ ba là dùng anten mảng, phát triển nền tảng lý thuyết và công nghệ mới

để nâng cao hiệu suất bức xạ Sự hợp nhất của anten băng rộng, đa băng và mảng sẽ

có thể phục vụ một cách đa dạng các dịch vụ, các ứng dụng nhưng ngược lại sẽ vấp phải nhiều thách thức trong việc thiết kế cũng như chế tạo

Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải(microstrip antenna) và anten mạch in(printed antenna), có các ưu điểm thích hợp như kích thước nhỏ và dễ gắn vào các thiết bị đầu cuối, … chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên Cũng bởi lý do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu anten [9], [16]

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay [9], [16], bao gồm GSM(Global System for Mobile communications, 890 – 960 MHz), DCS(Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS(Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) và UMTS(Universal Mobile Telecommunication, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và được xuất bản trong nhiều tài liệu liên quan Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần số 2.4MHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2MHz(5150 – 5350 MHz)

Xu Jing, Zhengwei Du[9] đã đưa ra ý tưởng về cấu trúc anten planar đa băng tần được thực hiện trên tấm vật liệu Rogers RT5870 có thông số ε = 2.3, h = 1 mm Tác giả bài báo thiết kế anten đa băng tần trên các dải GSM(890-960MHz), DCS(1710-1800MHz), PCS(1850-1990MHz), UMTS(1920-2170MHz) và WLAN(2400-2484MHz) Về cơ bản các kết quả tác giả đưa đảm bảo song kích thước vẫn còn lớn, cấu trúc phức tạp và chỉ thực hiện trên vật liệu Rogers RT5870

Hình 1.1 Cấu trúc và kết quả mô phỏng của bài báo [14]

Anten vi dải vốn đã có băng hẹp và việc mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện nay Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông hoặc nhiều băng tần đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải Nhiều cải tiến đáng kể để thiết kế anten vi dải “nén” với

đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, hoạt động với cả hai loại phân cực thẳng và tròn với độ lợi cao đã được báo cáo trong một vài năm gân đây

Luận văn tập trung thiết kế anten phẳng planar đa băng tần

1.2 Tổ chức luận văn

Luận văn được tổ chức thành năm chương, trong đó:

Chương I sẽ giới thiệu tổng quan về ý tưởng thiết kế anten phẳng planar đa băng tần, phạm vi nghiên cứu của đề tài, cách thức tổ chức luận văn và cơ sở chung

để thiết kế

Chương II thiết kế anten phẳng planar đa băng tần Phương pháp thực nghiệm hiệu chỉnh cấu trúc sẽ được sử dụng nhằm tìm ra cấu trúc đáp ứng yêu cầu, thông qua mô phỏng để chọn các hệ số thích hợp

Chương III thi công, đo đạc và đánh giá kết quả

Chương IV kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài

1.3 Cơ sở lý thuyết anten vi dải

1.3.1 Giới thiệu về anten vi dải

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin và truyền số liệu đã có những bước chuyển biến mạnh mẽ về kỹ thuật, từ các khối mạch số liên kết hữu tuyến ở những thập niên 80 nay dần dần trở thành hệ thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết hợp với các phương pháp xử lý số liệu, cho phép cự ly thông tin xa hơn, trên nền nhiễu mạnh hơn, công suất phát thấp hơn và dải tần thông tin rộng hơn

Một trong các yếu tố cải thiện chất lượng thông tin này là hệ thống anten thu

có kích thước nhỏ gọn và dải tần rộng mà phần tử cơ bản là anten vi dải

Các khái niệm về vi dải bức xạ lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 Nhưng khoảng 20 năm sau một anten ứng dụng công nghệ vi dải mới được chế tạo Anten vi dải thực nghiệm đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson, ngày nay vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển

Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là có cấu trúc ổn định và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Không những vậy, anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (anten array), cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong nhiều hệ thống, đặc biệt là hệ thống CDMA

1.3.2 Cấu trúc anten vi dải

Anten planar là một dạng của anten vi dải, chỉ khác ở chỗ phần Ground của

nó bị thay đổi kích thước và cấu trúc mà thôi

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một Patch kim loại rất mỏng (bề dày t<<λ , 0 λ - là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất Ground 0một khoảng rất nhỏ (h<<λ , thường thì 0.0030 λ <h<0.0050 λ ) Patch của anten vi 0dải được thiết kế có đồ thị bức xạ sao cho lớn nhất 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 chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng 0

λ /3<L<λ /2 Patch và mặt phẳng đất Ground được tách biệt bởi một lớp điện môi 0nền như hình 1.2

Hình 1.2 Hình dạng cơ bản của anten vi dải

Có nhiều loại điện môi nền được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số

điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2 < ε < 12 Những lớp điện môi r

được sử dụng là những nền dày có hằng số điện môi lớn chúng sẽ cho hiệu suất lớn hơn, băng thông lớn và hạn chế sự bức xạ các trường tổn hao vào trong không gian, nhưng kích thước của chúng thường lớn hơn Nền mỏng và hằng số điện môi lớn hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, do chúng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ nhằm để giảm thiểu sự bức xạ và kích thước của phần tử, tuy nhiên chính sự mất mát lớn hơn nên dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn

1.3.3 Các loại anten vi dải thông dụng

Anten vi dải được miêu tả bởi nhiều thông số hơn các loại anten truyền thống khác Chúng được miêu tả dưới nhiều dạng hình học khác nhau Tất cả các anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải; anten dipole vi dải; anten khe dùng kỹ thuật in và anten travelling-wave vi dải

1.3.1.1 Anten patch vi dải

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 còn lại của đế điện môi Anten patch vi dải có nhiều hình dạng khác

nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động như một dipole Trong số các loại patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn là thông dụng nhất

Hình 1.3 Các dạng anten patch vi dải 1.3.3.2 Anten dipole vi dải

Anten dipole vi dải có hình dạng giống với anten patch vi dải hình vuông nhưng chúng chỉ khác tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường nhỏ hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và patch vi dải là giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính có sự khác nhau Anten dipole vi dải thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng thường sử dụng các miếng đế điện môi có bề dày tương đối lớn và do vậy, chúng đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải được tính đến khi phân tích anten dipole vi dải

Hình 1.4 Hình dạng anten dipole vi dải

1.3.3.3 Printed Slot Antenna

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

đế được nối đất (grounded substrate) Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau như: hình chữ nhật; hình tròn hay hình nến vv Anten loại này bức xạ vào không gian theo hai hướng tức là chúng bức xạ trên hai mặt của khe và chúng có thể tạo ra bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụng một loại mặt phẳng phản xạ ở một phía của khe

Hình 1.5 Các hình dạng cơ bản của Printed Slot Antenna

1.3.3.4 Microstrip Travelling-Wave Antennas(MTA)

MTA được tạo thành bởi một loạt các vật dẫn ghép lại vơi nhau hay một một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền TE Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten Anten MTA có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính theo bất kỳ phương nào từ broadside đến enfire

Printed Dipole Antenna

Kích thước Mỏng Mỏng Mỏng

Tính phân cực Tuyến tính và tròn Tuyến tính và tròn Tuyến tính

Bức xạ rò Có tồn tại Có tồn tại Có tồn tại

1.3.3.5 Các đặc tính của anten vi dải

Anten vi dải có các ưu điểm sau:

- Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng dễ sản suất

- Có thể cho phân cực tuyến tính hoặc phân cực tròn

- Công nghệ chế tạo hoàn toàn phù hợp với các mạng tích hợp cao tần

- Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, anten vi dải cũng có một số khuyết điểm sau:

- Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp

- Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của anten mảng

- Có thành phần bức xạ dư thừa từ đường truyền và các mối nối

- Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp

Vì vậy, xu hướng phát triển anten vi dải là phải cải thiện được các nhược điểm này Anten vi dải có độ lợi thấp do đó có thể cải tiến bằng cách phải sử dụng anten vi dải array để tăng độ lợi Để cải thiện băng thông hẹp có thể thiết kế anten vi dải đa băng tần (multiband) đây chính là những hướng phát triển trong nhưng năm tới đáp ứng được nhiều dịch vu di động

Một số ứng dụng thích hợp với anten MSA là:

- Sử dụng trong thông tin vô tuyến do anten vi dải nhỏ gọn

- Radar đo phản xạ dùng các dãy MSA phát xạ

- Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị

- Vũ khí thông minh dùng MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng

- Ứng dụng trong hệ thống GSM hay GPS…vv

1.3.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải

Anten vi dải có thể được cấp nguồn bằng nhiều phương pháp khác nhau Có hai phương pháp cấp nguồn chính là tiếp xúc và không tiếp xúc Phương pháp tiếp xúc bao gồm một đường truyền vi dải kết nối trực tiếp với tấm patch bức xạ Trong khi đó, phương pháp không tiếp xúc còn gọi là phương pháp ghép điện từ Phương pháp này về bản chất là ghép điện dung giữa tấm patch và đường truyền cấp nguồn Hiện có 4 phương pháp cấp nguồn phổ biến cho anten vi dải là: Cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải; probe đồng trục; ghép khe (aperture-coupling), ghép gần (proximity-coupling)

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 giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là cần phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn cong cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng bề mặt Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đồ thị bức xạ của anten vi dải Việc giảm thiểu bức xạ rò và những ảnh hưởng của nó tới đồ thị bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay không?

1.3.4.1 Phương pháp cấp nguồn bằng Proble đồng trục

Cấp nguồn bằng proble đồng trục là một trong những phương pháp cơ bản nhất dùng để truyền tải công suất Với cách cấp nguồn này, phần lõi của Feed được nối với patch, phần đầu ngoài nối với mặt phẳng ground Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm điện môi Nếu tiếp điện tại tâm của patch thì trở kháng đầu vào bằng 0 Có thể tính toán tọa độ tiếp điểm theo công thức như sau:

W

)(

L X

re f

ξ

2 / 1

) 12 1 ( 2

1 2

+

− +

re

ε ε

Hệ số ghép≈ ∫∫∫ Ez Jzdv ≈ cos( π x0 / L ) (1.4) Trong đó: E z và J z là trường và mật độ dòng cấp nguồn của patch

L là chiều dài cộng hưởng của patch và x0 là khoảng cách từ điểm cấp nguồn cho tới cạnh của patch

Biểu thức (1.4) cho thấy hệ số ghép đạt cực đại khi điểm cấp nguồn đặt tại cạnh của patch(x0=0 hay L=0)

Hình 1.7 Cấp nguồn bằng proble đồng trục

Hình 1.8 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục

Ưu điểm của loại cấp nguồn này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có thể đặt Feed ở mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng Song, cách này có một số nhược điểm sau:

- Vì dùng đầu Feed nên có phần ăn ra ngoài làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất tính đối xứng

- Khi cấp nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên

và như thế việc chế tạo mạch sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi

- Khi cần tăng băng thông của anten đòi hỏi phải tăng bề dày của lớp nền cũng như chiều dài proble Kết quả là bức xạ rò của proble và điện cảm của proble tăng lên Điện cảm này có thể bù lại bằng một tụ hồi tiếp

1.3.4.2 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải cho anten vi dải trên cùng một lớp nền

là một phương pháp lựa chọn tự nhiên vì bản thân patch có thể xem như là một đường truyền vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một patch

Hình 1.9 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Hình 1.10 Sơ đồ tương đương cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Đường truyền vi dải có độ dài λg /4 để phối hợp trở kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50Ω

Ưu điểm của phương pháp cấp nguồn này đơn giản tuy nhiên kỹ thuật này hạn chế ở chỗ đó là sự phát xạ không mong muốn từ Feedline khi mà kích thước của Feedline là đáng kể so với patch (ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ khoảng vài mm)

Việc ghép liền cạnh giữa đường truyền vi dải và patch có thể được biểu diễn theo mật độ dòng điện tương ứng J z cùng với từ trường H z

Hệ số ghép≈ ∫∫∫Ez Jzdv ≈ cos( π x0 / L )

1.3.4.3 Phương pháp cấp nguồn ghép gần(proximity-coupling)

Trong phương pháp này, đế điện môi gồm hai lớp, đường truyền vi dải nằm

ở lớp giữa còn anten nằm phía trên Phương pháp này còn được gọi là phương pháp ghép điện từ Về bản chất của phương pháp này là ghép điện dung giữa miếng patch

và đường truyền cấp nguồn

Hình 1.11 Phương pháp cấp nguồn ghép gần

Hình 1.12 Sơ đồ tương đương phương pháp cấp nguồn ghép gần

Xét mô hình tương đương, Cc là điện dung ghép, mạch cộng hưởng R-L-C, điện dung này có thể phối hợp trở kháng anten cũng như điều chỉnh patch để cải thiện băng thông Phần mạch hở có thể được đặt vào một mạch chem., mạch này dùng để cải tiến băng thông

Thông số của hai lớp nền cũng được dùng để cải thiện băng thông và giảm bức xạ rò ở đầu cuối hở của đường truyền Với lý do này nên lớp thứ hai được chọn

mỏng hơn Bức xạ trong trong trường hợp này lớn hơn Song, phương pháp này thường phức tạp hơn trong khi chế tạo và sản xuất

1.3.4.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe coupling)

(aperture-Phương pháp ghép khe bao gồm hai nền điện môi được phân cách bởi mặt phẳng đất Chất điện môi có hằng số điện môi cao hơn được sử dụng cho nền điện môi đáy, chất điện môi có hằng số thấp hơn và dày được sử dụng làm nền phía trên Mặt phẳng đất được bố trí giữa hai lớp điện môi cách ly đường cung cấp với phần

tử bức xạ làm giảm thiểu giao thoa của bức xạ không mong muốn Sự phối hợp trở kháng có thể đạt được bằng cách điều khiển bề rộng đường cấp nguồn và chiều dài khe

Lý thuyết sử dụng để phân tích phương pháp ghép khe là lý thuyết Bethe về tính toán ghép qua một lỗ hổng nhỏ trong mặt phẳng dẫn Khe được mô tả như một dipole trực giao tương đương để tính toán cho các phần tử trực giao của trường điện

và một dipole ngan tương đương để tính toán cho thành phần phần tiếp tuyến với từ trường Nếu khe được đặt bên dưới ngay vạch giữa patch, tại đó trong trường hợp lý tưởng cho mode ưu tiên thì trường điện bằng 0 và trường từ cực đại Điều này tạo ra một phân cực thuận tốt và không bức xạ phân cực ngang trong mặt phẳng chính

Hình 1.14 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe

Hình 1.15 Sơ đồ tương đương phương pháp ghép kênh

Trong mô hình này, do ghép khe nên anten dường như nối tiếp với đường truyền Mô hình bao gồm, một cuộn cảm mắc nối tiếp với mạch R-L-C, một đoạn dây chêm hở mạch chiều dài Ls dùng để thay thế cho điện dung song song Cs Tỷ lệ giữa chiều dài dây chêm và patch có thể được điều chỉnh để cho phép phối hợp trở kháng

Ưu điểm của phương pháp là cho băng thông lớn nhất và dễ mô hình hóa và

có bức xạ rò thấp Tuy nhiên, việc thi công rất khó khăn

Bảng 1.2 So sánh các kỹ thuật cấp nguồn

Cấp nguồn

Đặc điểm Vi dải Probe đồng trục Ghép khe Ghép gần Ảnh hưởng

hàn

Cần định hướng

Cần định hướng

Phối hợp trở

1.3.5 Phân bố điện trường trên anten vi dải

Mô tả điện trường của anten vi dải hình chữ nhật trên hình 1.16a, điện trường ở tâm patch bằng 0, đạt cực đại ở một cạnh và đạt cực tiểu ở một cạnh đối diện Sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra la liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten Điện trường mở rộng ra bên ngoài của patch, thành phần này gọi

là trường viền và nó làm cho patch bức xạ Để phân tích phân bố điện trường người

ta thường sử dụng mô hình hốc cộng hưởng rò (leaky-cavity), mode cơ bản khi sử dụng mô hình hốc cộng hưởng là mode TM10

Hình 1.16b, c thể hiện sự biến đổi dòng (từ trường) và điện áp (điện trường) trên tấm patch, dòng cực đại tại patch và cực tiểu gần các cạnh trái và phải, trong khi đó điện trường bằng 0 tại tâm patch và cực đại gần cạnh trái, cực tiểu gần cạnh phải Theo biên độ của dòng và áp ta có thể tìm được trở kháng, trở kháng đạt cực tiểu ở giữa tấm patch và cực đại ở gần 2 cạnh Tồn tại một điểm trên trục x, tại đó trở kháng bằng 50 , và ta có thể đặt tiếp điểm tại đây Ω

a)

b)

c)

Hình 1.15 Mô hình phân bố trường trên patch

a) Phân bố trường ở mode cơ bản;

b) Phân bố dòng trên bề mặt patch;

c) Phân bố điện áp U, dòng I và trở kháng Z theo chiều dài patch

1.3.6 Tính phân cực của anten vi dải

Sự phân cực của anten vi dải là sự phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện

Chú ý: khi không đề cập tới hướng nào thì sự phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích lớn nhất

Có 3 loại phân cực:

- Phân cực thẳng:

- Đứng V (Vertical)

- Ngang H (Horizontal)

- Nghiêng

- Phân cực tròn:

- Cùng chiều kim đồng hồ CW (Clock Wise)

- Ngược chiều kim đồng hồ CCW (Counter Clock Wise)

- Phân cực dạng Ellipe:

- Cùng chiều kim đồng hồ CW (Clock Wise)

- Ngược chiều kim đồng hồ CCW (Counter Clock Wise)

Tùy vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp Với các biện pháp cấp nguồn thông thường thì trường phân cực của anten vi dải là trường phân cực thẳng Anten khe là dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng

Hình 1.17 Tiếp điện bằng một đường truyền vi dải

Hình 1.18 Đồ thị bức xạ 3 chiều của anten

Để tạo được phân cực tròn, ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh của anten hoặc từ một cổng ta chia ra làm 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là λ/ 4

Hình 1.19 Tiếp điện bằng 2 đường vi dải

Hình 1.20 Đồ thị bức xạ 3 chiều của anten

Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu nào đặt theo hướng nào cũng có thể thu được một thành phần của tín hiệu Điều đó là do sóng tới có góc quay biến đổi, kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ thống WLAN ở môi trường truyền sóng phức tạp

1.3.7 Băng thông của anten vi dải

Một trong những hạn chế lớn nhất của anten vi dải là về độ rộng băng thông

Độ rộng băng thông là khoảng tần số mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu câu đề ra

Băng thông BW có thể được xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR),

sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ Đối với các anten phân cực tròn, BW được tính theo hệ số quanh trục (AR)

VSWR Q

= 1

1

Hệ số phản xạ đánh giá tín hiệu phản xạ tại điểm Feed của anten, Γ Γ được xác định bởi trở kháng vào Ζin của anten và trở kháng đặc tính của đường cấp nguồn

0Ζ

0

0 Ζ + Ζ

Ζ

− Ζ

= Γ

in

Thông thường BW được xác định trong vùng tần số mà VSWR<2 (return loss nhỏ hơn 9.5dB hay công suất phản xạ nhỏ hơn 11%) Đối với những ứng dụng đặc biệt VSWR nhỏ hơn 1.5 (return loss nhỏ hơn 14dB hay công suất phản xạ nhỏ hơn 4%)

Công thức tính gần đúng BW:

L

W Ah BW

Từ công thức trên ta thấy rằng, khi tăng W thì có thể tăng BW Tuy nhiên, W

bị giới hạn bởi λ vì nếu W>λ ta không thể truyền đơn mode được Hoặc ta có thể tăng băng thông nhờ sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp hơn Nhưng thực tế việc tăng độ dày của lớp điện môi là có hạn vì nếu h >0.1λ thì sẽ 0gây ảnh hưởng của sóng bề mặt điều này làm giảm hiệu suất của anten

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được Ví

dụ băng thông 10:1 chỉ ra rằng tần số trên lớn hơn tần số dưới 10 lần

0

min max

f

f f

Hình 1.21: Sự thay đổi của BW theo h/ λ với 0 εr khác nhau

1.3.8 Phân tích anten theo mô hình truyền vi dải

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích anten vi dải, mỗi phương pháp đưa ra một mô hình gần đúng để phân tích anten Các mô hình phổ biến nhất

là mô hình đường truyền vi dải (microstrip line), mô hình hốc cộng hưởng (cavity

model) và mô hình toàn sóng (full-wave model) Song, để phục vụ cho luận văn ta chỉ phân tích anten theo mô hình đường truyền vi dải

Việc đưa ra các mô hình phân tích anten có ý nghĩa thực tiễn lớn, do:

- Giúp giảm bớt một lượng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ bằng cách tác động vào quá trình thiết kế

- Giúp đánh giá một cách chính xác các ưu khuyết điểm của anten bằng cách nghiên cứu các thông số của nó

- Cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết kế sau này

Mô hình đường truyền vi dải:

Mô hình đường truyền sóng xem anten vi dải patch chữ nhật hay hình vuông như là một đoạn của đường truyền vi dải Patch hình tròn, xuyến, hình quạt hay hình cung cũng được mô hình hóa như một phần của đường truyền vi dải cong Đây

là mô hình đơn giản nhất, dễ hiểu song kém chính xác, thiếu tính linh hoạt và khó

áp dụng cho các mô hình ghép cũng như không thể áp dụng cho các dạng anten phức tạp

Kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, trường tại gờ của patch bị viền Nói chung, viền là một hàm theo kích thước của patch và chiều cao của tấm điện môi Trong mặt phẳng ngang E-plane (mặt phẳng x-y), viền là hàm theo tỷ số giữa chiều dài patch, bề dày lớp điện môi (L/h) và hằng số điện môi

hiệu dụng ε được sử dụng để hiệu chỉnh các ảnh hưởng của hiệu ứng viền đối với effsóng trên đường truyền

Đối với một đường truyền vi dải có không khí ở trên nền hằng số điện môi hiệu dụng có giá trị trong khoảng 1<εeff <εr Nếu sử dụng tấm điện môi có 1

>>

r

ε , thì giá trị ε sẽ gần với hệ số điện môi thực hơn Hằng số điện môi hiệu effdụng cũng là một hàm theo tần số Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là hằng số εr cơ bản Tại các tần số trung gian, giá trị ε tăng đều và tiến tới giá trị effđiện môi nền εr

2 1 12 1 2

1 2

eff

εε

Hình 1.22 Sự thay đổi của ε theo W/h và eff εr khác nhau

Hình 1.23 Hằng số điện môi hiệu dụng