2 4 bao cao tom tt 2007

Khảo sát sự phốihợp trở kháng với các phương pháp: sử dụng mạch các thông số tập trung, sử dụng một dâychêm, sử dụng thêm cấu trúc để thực hiện phối hợp trở kháng .... Và điều này có thể

Mặc dù antenna vi dải có nhiều thuận lợi điển hình nhưng chúng cũng có một số nhượcđiểm cơ bản đó là: độ rộng băng thông hẹp, độ lợi thấp (khoảng 6dB) Vì vậy, để nâng caobăng thông hoạt động của antenna, cùng với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, đề tài thựchiện việc khảo sát kỹ thuật phối hợp trở kháng cho antenna mảng lưới vi dải Khảo sát sự phốihợp trở kháng với các phương pháp: sử dụng mạch các thông số tập trung, sử dụng một dâychêm, sử dụng thêm cấu trúc để thực hiện phối hợp trở kháng Các kết luận được rút ra để từ

đó đi đến thiết kế cấu trúc phối hợp trở kháng tối ưu nhất thuộc dải tần 6 – 8GHz Tác dụngcủa việc thêm cấu trúc vào mạch để thực hiện phối hợp trở kháng được phân tích, mô phỏng,

so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thi công đo đạc

1 Động lực thực hiện đề tài

Trong xu hướng phát triển mạng lưới thông tin nói chung và thông tin vô tuyến nóiriêng, hệ thống antenna có chức năng thu phát sóng điện từ không ngừng được đẩy mạnhnghiên cứu và được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực nhằm đáp ứng nhu cầu của con người Ứngdụng của thiết bị antenna rất đa dạng từ quân sự đến dân dụng

Antenna vi dải được biết đến với rất nhiều thuận lợi: dễ thiết kế, trọng lượng nhẹ, tíchhợp dễ dàng Chính vì vậy, nó có rất nhiều ứng dụng trong các ngành khác nhau như ứngdụng trong y học, vệ tinh và cả trong các hệ thống quân sự như trong tên lửa, trong việcnghiên cứu antenna của tàu bay, hỏa tiễn Có thể nói, antenna vi dải được ứng dụng một cáchrộng rãi trong tất cả các ngành, trên khắp mọi nơi và bây giờ chúng còn có tính thương mại rấtcao do chi phí sản xuất thấp, cấu hình của loại antenna này phẳng nên khả năng tích hợp vàotrong các thiết bị khác rất dễ dàng và tiện lợi

Mặc dù antenna vi dải có nhiều thuận lợi và được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi,nhưng kiểu antenna này cũng tồn tại một số hạn chế rất quan trọng đặc biệt là hạn chế về độlợi và băng thông Theo [1-5] của Balanis, mô hình bức xạ của antenna một thành phần đơn

có đặc điểm là tương đối rộng nhưng độ lợi của mỗi thành phần đơn lại tương đối thấp Trongkhi đó, nhiều ứng dụng trong thực tế cần thiết kế antenna có độ lợi cao để đáp ứng những nhucầu truyền thông tin ở khoảng cách xa Và điều này có thể được thực hiện bằng cách tăng kíchthước phần điện của antenna hoặc thiết kế một tập hợp gồm nhiều thành phần bức xạ trongmột cấu trúc hình học và trong một cấu trúc điện, phương pháp này không làm tăng kíchthước của các thành phần đơn Loại antenna được tạo thành từ nhiều thành phần đơn được gọi

là một mảng, đối với antenna vi dải được thiết kế theo mảng được gọi là antenna mảng vi dải.Trong hầu hết các trường hợp, các thành phần của một mảng là đồng nhất vì nếu có sự đồngnhất thì quá trình phân tích sẽ thuận tiện và đơn giản hơn Các thành phần đơn của một mảng

có thể được xây dựng từ nhiều hình dạng khác nhau (ví dụ như đường dây, apertures, ).Antenna mảng vi dải tuy có độ lợi lớn hơn so với antenna vi dải thông thường, nhưng chúngvẫn có các đặc tính cố hữu của dạng antenna vi dải đó là độ rộng băng thông hẹp và độ lợithấp Các bài báo nghiên cứu thiết kế antenna vi dải và antenna mảng vi dải trong xu hướngphát triển hiện nay dành nhiều thời gian tập trung vào công việc cải thiện những hạn chế này,làm sao để antenna thiết kế có các thông số về băng thông và độ lợi tốt nhất

Với động lực đó, đề tài thực hiện việc nghiên cứu khảo sát các phương pháp phối hợptrở kháng cho antenna mảng lưới vi dải với mục đích cải thiện được các thông số thiết kế củaantenna trong vùng tần số quan tâm Từ đó, đề tài đưa ra phương pháp nghiên cứu, thiết kế thicông cấu trúc phối hợp trở kháng dựa trên cấu trúc của antenna

Mục đích của phối hợp trở kháng là để bù vào hay còn gọi là triệt tiêu các thành phầnđiện kháng hay cảm kháng dư tồn tại trong mạch antenna Có rất nhiều phương pháp để thựchiện phối hợp trở kháng cho antenna Đề tài khảo sát các phương pháp thực hiện phối hợp trở

kháng bao gồm: phương pháp sử dụng mạch các thông số tập trung, phối hợp bằng cách sửdụng một dây chêm, tính toán giá trị của phần tử bổ sung được thêm vào cấu trúc của antenna

Theo lý thuyết, trạng thái phối hợp trở kháng trên đường dây truyền sóng là trạng thái

mà tại đó, trở kháng của tải cuối đường dây [2] bằng trở kháng đặc tính của đường dây Khi

đó, hệ số phản xạ trên tải bằng 0 (, có nghĩa là không có sóng phản xạ và hệ số sóng đứngbằng 1 Hình 1.13 minh họa mạch phối hợp trở kháng giữa đường truyền và tải bất kỳ

Hình 1.13: Mô hình phối hợp trở kháng tổng quát

Theo lý thuyết cơ sở kỹ thuật siêu cao tần [2], cấu trúc mạch antenna có thể được môhình hóa thành các thành phần R (điện trở đơn vị là , L (điện cảm đơn vị là , G (điện dẫn đơn

vị là , C (điện dung đơn vị là ) và sẽ được phân tích theo các công thức mắc nối tiếp và songsong tương ứng như sau:

(1)(2)

Trong đó, và lần lượt là trở kháng tổng và dẫn nạp tổng của antenna, X là thành phầnkháng và B là thành phần nạp của antenna

Trong tiểu phần 2.1 trong chương 2 của đề tài có trình bày về các phương pháp vànhững ưu khuyết điểm của các cách cấp nguồn cho antenna vi dải Dựa trên nội dung đó, đặcđiểm của mạch thiết kế và tính phổ biến trong thực tế, đề tài chọn thiết kế antenna sử dụngcáp đồng trục để cấp nguồn Khi cấp nguồn sử dụng cáp đồng trục, trong mạch antenna luôntồn tại một thành phần kháng nhất định từ đường cấp nguồn này [16] Việc thực hiện phối hợp

trở kháng cũng là để triệt tiêu thành phần kháng này Chính vì thế, thành phần được sử dụng

để triệt tiêu là một thành phần thuần kháng, có dẫn nạp là Xét theo tổng dẫn nạp, ta có:

(3)Hay xét theo tổng trở kháng:

Từ hướng tiếp cận này, đề tài đưa ra phương pháp nghiên cứu

CST Microwave Studio là một phần mềm được sử dụng để phân tích trường điện từ vàthiết kế các thiết bị hoạt động trong lĩnh vực siêu cao tần Quá trình phân tích của chươngtrình này rất hiệu quả, nhanh chóng và được sử dụng để thiết kế các thành phần như antenna(bao gồm cả mảng antenna), các bộ lọc, đường truyền dẫn, các bộ ghép nối (couplers),connectors, các bo mạch in (printed circuit boards), bộ cộng hưởng Các mô phỏng của đềtài đều được thực hiện trên phần mềm mô phỏng này

Bước đầu của tiến trình nghiên cứu là thực hiện thiết kế một antenna mảng lưới vi dải

có phạm vi hoạt động nằm trong dải tần số 6 – 8GHz với sự hỗ trợ của phần mềm CSTMicrowave Studio Vị trí và kích thước của các thành phần đều được tham số hóa để thuậntiện trong việc điều chỉnh và thay đổi các thông số antenna với mục đích thu được các kết quảđúng với tần số thiết kế (6.5GHz) Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm, trích xuất các kếtquả cơ bản về trở kháng, dẫn nạp, hệ số sóng đứng của mạch antenna thiết kế

Sau đó, thực hiện phân tích và tính toán giá trị của thành phần thuần kháng để bù vàophần điện kháng còn dư trong mạch Sau đó, thiết kế phần mạch bổ sung vào antenna để thựchiện phối hợp trở kháng Phần mạch bổ sung này có thể được thực hiện theo nhiều cách khácnhau

Thực hiện mô phỏng mạch antenna đã được kết hợp với thành phần bổ sung Từ đó,nhận xét, phân tích kết quả, đồng thời điều chỉnh các thành phần trong mạch để rút ra mối liên

hệ giữa các yếu tố trong mạch antenna với cấu trúc của phần mạch được bổ sung

So sánh kết quả thu được với kết quả trong trường hợp không thực hiện phối hợp trởkháng ban đầu Sau khi quá trình mô phỏng được thực hiện hoàn tất, tiến hành thi công mạchthực, đo đạc và so sánh kết quả của mạch thực và kết quả mô phỏng.

Cấu trúc báo cáo của đề tài gồm năm chương:

 Chương 1 giới thiệu về mục tiêu, động lực thực hiện đề tài, khảo sát các côngtrình nghiên cứu thực hiện phối hợp trở kháng cho antenna vi dải trước đây,đồng thời đưa ra hướng tiếp cận cũng như phương pháp và tiến trình thực hiện

đề tài

 Chương 2 khái quát về antenna vi dải, từ đó dẫn tới antenna mảng lưới vi dải.Trình bày và so sánh các kiểu cấp nguồn cho antenna, từ đó, chọn lựa phươngpháp cấp nguồn cho antenna mảng lưới vi dải được thiết kế

 Chương 3 trình bày về ý nghĩa của việc thực hiện phối hợp trở kháng đồng thờikhái quát về một số phương pháp thực hiện phối hợp trở kháng cơ bản tronglĩnh vực siêu cao tần

 Chương 4 tiến hành thiết kế mô phỏng antenna mảng lưới vi dải trên phầnmềm CST Microwave Studio, sau đó thực hiện khảo sát các phương pháp phốihợp trở kháng trên mạch thiết kế Từ đó, thực hiện thiết kế thi công đo đạcantenna mảng lưới vi dải

 Chương 5 là các nhận xét đánh giá đề tài và đề ra các hướng nghiên cứu tiếptheo

5 Sơ lược về anten vi dải, anten mảng vi dải và các phương pháp cấp nguồn cho anten

vi dải

Loại antenna được thiết kế là một tập hợp gồm nhiều thành phần bức xạ trong một cấutrúc hình học và trong một cấu trúc điện được gọi là antenna mảng [5] Antenna vi dải xâydựng theo cấu trúc mảng được gọi là antenna mảng vi dải, kiểu antenna này lần đầu tiên được

đề xuất bởi tiến sỹ Krauss vào năm 1964, hình dạng của antenna được minh họa trong hình 1.Sau đó, nó tiếp tục được nghiên cứu và phát triển

Cấu hình dùng để cấp nguồn cho antenna vi dải được phân loại thành bốn phươngpháp chính được thực hiện phổ biến nhất đó là các phương pháp: sử dụng đường vi dải(microstrip line), sử dụng cáp đồng trục (coaxial probe), phương pháp kết hợp khe (aperturecoupling) và kết hợp lân cận (proximity coupling)

Đối với cấu trúc mảng vi dải, phương pháp cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dải cóthể thực hiện theo kiểu mạng cấp nguồn nối tiếp và mạng cấp nguồn đồng thời (mạng cấpnguồn song song) như trong hình 2 [5].

Hình 1: Cấu hình antenna mảng lưới của Krauss [20]

Hình 2: Kiểu cấp nguồn cho antenna mảng patch vi dải [5]

Mạng cấp nguồn nối tiếp có thể thích hợp khi cả phần tử bức xạ và mạng cấp nguồnđều nằm trên đế điện môi Kỹ thuật này thường được áp dụng cho mảng tuyến tính và mảngphẳng Tuy nhiên, khi có sự thay đổi bất kỳ ở một trong các phần tử hoặc đường cấp nguồn thì

kỹ thuật này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của các phần tử khác cũng như hiệu suất của toànmạch Mạng cấp nguồn đồng thời có thể được sử dụng để phân chia nguồn theo 2n (n = 2, 4, 8,

16, …) nhánh, mạng cấp nguồn đồng thời rất linh hoạt, người thiết kế có thể điều khiểnđường cấp nguồn cho mỗi phần tử bức xạ cả về biên độ và pha, kiểu cấp nguồn này dẫn đến ýtưởng cho mảng quét định pha, mảng đa búp sóng, hoặc mảng định dạng búp sóng [22]

Cả hai mạng cấp nguồn này được thiết kế trên cùng mặt phẳng điện môi với các đườngbức xạ vi dải, chính vì thế nó có thể gây ra hiệu ứng bề mặt và phân cực chéo đối với cấu trúcantenna Vấn đề này có thể được khắc phục bằng việc cách ly mạng cấp nguồn với mặt bức xạcủa antenna mảng, và phương pháp cấp nguồn bằng cáp đồng trục, cấp nguồn kết hợp khe,cấp nguồn kết hợp lân cận có thể đáp ứng được yêu cầu này Trong ba phương pháp này, cấpnguồn sử dụng cáp đồng trục có tính khả thi cao hơn, quá trình phân tích và thi công đơn giảnhơn nên đề tài chọn phương pháp cấp nguồn này để thiết kế và thực hiện phối hợp trở kháng

6 Một số phương pháp phối hợp trở kháng trong lĩnh vực siêu cao tần

6.1 Ý nghĩa của phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng rất quan trọng và có nhiều ý nghĩa vì những lý do sau:

 Nếu thực hiện phối hợp trở kháng, hệ số phản xạ và hệ số sóng đứng (SWR) đạt yêucầu đề ra trong một dải tần nhất định Nếu mất phối hợp, trong mạch siêu cao tần sẽ cósóng đứng Công suất (P) lan truyền từ nguồn đến tải được xác định theo công thức:

(7)Khi tải được phối hợp với đường truyền thì: và công suất truyền, công suất nhận đạtgiá trị cực đại Khi mất phối hợp trở kháng với đường truyền, do nên , công suấttruyền từ nguồn tới tải giảm

 Nếu mất phối hợp trở kháng thì hệ số suy hao tăng, tiêu hao năng lượng lớn làm giảmhiệu suất của đường truyền

Tổn hao L của một đường truyền có chiều dài có thể xác định bằng tỷ số giữa côngsuất phát ra của nguồn với công suất tải tiêu thụ:

(8)Với là hệ số suy hao

Khi đường truyền được phối hợp trở kháng, có nghĩa là thì:

(9)Khi , tức là tiêu hao trong đường truyền tăng lên làm giảm hiệu suất truyền sóng

 Ngoài ra, phối hợp trở kháng còn làm giảm sự phản xạ sóng quay trở về nguồn, giúpnguồn làm việc ổn định hơn cả về phương diện công suất lẫn tần số, giảm các lỗi vềbiên độ và pha đồng thời giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống

Trong lĩnh vực siêu cao tần, các phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản đó là: phươngpháp phối hợp trở kháng bằng các phần tử tập trung, sử dụng mạch điều chỉnh phối hợp trởkháng dùng một dây chêm, mạch điều chỉnh phối hợp trở kháng bằng 2 dây chêm

Đặc biệt, đối với cấu trúc cấp nguồn cáp đồng trục, antenna vi dải có một số phươngpháp cấp nguồn cơ bản sau:

Một trong những phương pháp trực tiếp cải thiện băng thông của antenna vi dải (sửdụng cáp đồng trục để cấp nguồn) là sử dụng một mạng phối hợp phản kháng để bù vào sựthay đổi của trở kháng vào theo tần số Về cơ bản, phương pháp này được thực hiện theo hình

3, thiết kế một hình thức vi dải đặt phía dưới của thành phần antenna Phương pháp này không

bị giới hạn tới các thành phần antenna có đế dày hay mỏng nhưng với những đế dày sẽ xuấthiện thêm một vài băng thông dải phụ

Hình 3: Antenna vi dải được cấp nguồn đồng trục sử dụng mạng phối hợp trở khángThuận lợi của phương pháp sử dụng mạng phối hợp trở kháng này là các thành phầnantenna không bị thay đổi và mạng phối hợp có thể được đặt phía sau mặt phẳng đất củaantenna Vì thế, các đặc tính bức xạ của thành phần antenna không thay đổi, trong khi bức xạ

từ mạng phối hợp cũng được cực tiểu Hạn chế của phương pháp này: nó sẽ ảnh hưởng tớidiện tích không gian của mạng cấp nguồn vi dải đối với một mảng antenna; đối với antennachỉ có một thành phần đơn, sử dụng mạng phối hợp này có thể cần một đế đa lớp để hỗ trợthành phần antenna và mạng phối hợp

Ý tưởng của phương pháp này là gắn thêm các miếng bức xạ cộng hưởng vào để tạo ra

sự cộng hưởng ở vùng không gian gần bản bức xạ chính của antenna vi dải Trong cấu trúcnày, chỉ có một thành phần được điều khiển một cách trực tiếp Các bản bức xạ khác được kếthợp thông qua các ảnh hưởng trạng thái gần Điều này được thể hiện trong hình 4 sau đây:

Hình 4: Sơ đồ minh họa sử dụng tụ ký sinh từ các bức xạ được kết hợp

Thuận lợi của phương pháp này là cấu trúc thiết kế đồng phẳng và có thể được tích hợptrên cùng một lớp đế Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một vài hạn chế Do các bản bức

xạ khác nhau bức xạ với các biên độ và pha khác nhau tại các tần số khác nhau Tuy thiết kế

có cấu trúc đồng phẳng nhưng phương pháp này làm cho kích thước của toàn cấu trúc thiết kế

tăng lên, điều này có thể là một trở ngại lớn trong nhiều ứng dụng đòi hỏi kích thước củaantenna nhỏ.

Một kỹ thuật rất phổ biến thường được sử dụng để làm tăng băng thông của antenna vidải là thực hiện kỹ thuật xếp chồng hai hoặc nhiều miếng vá cộng hưởng lên trên nhau Kỹthuật này tạo nên sự cộng hưởng đa lớp ở những vùng gần bản bức xạ của antenna Do cácthành phần không sắp xếp theo cấu hình đồng phẳng mà được xếp chồng nên nó không làmtăng diện tích bề mặt của antenna Phương pháp này có thể sử dụng các miếng vá có hìnhdạng khác nhau: hình chữ nhật, hình tròn, hình vành nhẫn (annular-ring) Hình 5 thể hiện cấuhình của phương pháp này

Hình 5: Minh họa phối hợp trở kháng sử dụng patch xếp chồngPhương pháp này không làm tăng diện tích bề mặt của thành phần thiết kế, nó có thểđược sử dụng trong cấu hình mảng mà không làm ảnh hưởng tới thành phần bức xạ thùychính, mô hình bức xạ, pha trong dải tần hoạt động của antenna Phương pháp này có thểđược sử dụng để tối ưu hóa nhiều thông số Vì thế, quá trình thiết kế và tối ưu là rất phức tạp,tuy không làm tăng diện tích bề mặt nhưng phương pháp này làm tăng bề dày của antenna do

nó cần thêm một lớp đế để hỗ trợ cho bản bức xạ phía dưới

Theo Balanis, một bộ chuyển đổi N đoạn có hệ số phản xạ lối vào được tính xấp xỉbằng công thức sau:

Đối với một bộ chuyển đổi đối xứng, có nghĩa là: biểu thức tính có thể được tính bằng biểuthức như sau:

Số hạng cuối cùng trong trường hợp mạch biến đổi đối xứng được xác định như sau:

Hình 6: Bộ chuyển đổi N phân đoạn λ Đối với bộ chuyển đổi này, sau N phân đoạn có chiều dài λ thì trở kháng của tải

(antenna) sẽ có giá trị bằng trở kháng đặc tính Z0, và mạch được thực hiện phối hợp trở kháng.Những giá trị xác định của bài toán này đó là: giá trị trở kháng của tải, trở kháng đặc tính Z0,

tổng số phân đoạn λ Đại lượng cần xác định đó chính là trở kháng của các phân đoạn λ này:

Nhìn chung, các phương pháp phối hợp trở kháng dải hẹp trong vùng tần số cao tần rất

đa dạng Trên đây là một số phương pháp cơ bản, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà chúng ta

có thể chọn lựa và áp dụng phương pháp thích hợp, tối ưu với đường truyền

7.1 Khảo sát phối hợp trở kháng trên vật liệu teflon

7.1.1 Thiết kế antenna mảng lưới vi dải trên đế điện môi teflon

Antenna mảng lưới vi dải được thiết kế dựa trên một trong những cấu trúc cơ bản vềmảng lưới đã được đề cập đến trong mục 2.2 chương 2 của đề tài Cấu trúc của antenna đượcthể hiện trong hình 7 sau đây [23], [24]:

Hình 7: Cấu trúc antenna mảng lưới vi dải được thiết kế

Antenna được mô phỏng trên đế điện môi teflon, các thông số được tính tại tần số6.5GHz, hằng số điện môi của đế , hằng số từ môi tương đối , bề dày 1.0 mm, hệ số tang tổnhao

Các thông số thiết kế được tính theo [24] theo thực nghiệm như sau:

B = 0.25 = 7 (mm)

s=0.447 = 15 (mm)

Dựa trên những thông số tính được, tiến hành mô phỏng trên phần mềm CSTMicrowave Studio Sau khi mô phỏng, dựa vào kết quả thu được, tiến hành điều chỉnh kíchthước và vị trí của các thành phần trong cấu trúc của mạch antenna để thu được kết quả tại tần

số thiết kế 6.5GHz Kích thước của antenna được thể hiện như trong bảng 4.1:

Bảng 1: Kích thước của antenna được xây dựng trên đế teflon

Hình 8: Kết quả mô phỏng S11

Hình 9: Đặc tuyến S11 của antenna trên đồ thị Smith

Kết quả hình 8 cho thấy antenna mảng vi dải được thiết kế là antenna có dải tần hẹp,kết quả mô phỏng S11 cũng thể hiện băng tần hoạt động -10dB của antenna trải từ 6.443 – 6.58(GHz) Trong khoảng băng thông -10dB này, tỷ số sóng đứng trong hình 10: VSWR < 2, điều

đó chứng tỏ trong dải tần này ít xảy ra hiện tượng phản xạ sóng và hiện tượng sóng đứng

-200 -100 0 100 200 300

Hình 11: (a) Dẫn nạp vào của antenna; (b) Trở kháng vào của antenna

Từ kết quả trên hình 11, chúng ta thấy rằng ở vùng tần số 6.5 ÷ 7 GHz có sự mất đốixứng giữa phần thực và phần ảo trong phần dẫn nạp của antenna Sự mất đối xứng này làmcho băng thông hoạt động nhỏ đồng thời làm hiệu suất hoạt động của antenna Vì vậy, mạchantenna cần được thực hiện phối hợp trở kháng để nó có thể hoạt động tốt hơn, các thông sốhoạt động cơ bản cao hơn

7.1.2 Khảo sát một số phương pháp phối hợp trở kháng trên đế teflon

Xét tại tần số 6.7 GHz, trở kháng vào và dẫn nạp vào của antenna có giá trị:

Chính vì thế, dải tần phối hợp giới hạn của phương pháp này là:

7.1.2.2 Phối hợp trở kháng với một dây chêm song song

Khảo sát trường hợp sử dụng một dây chêm mắc song song để thực hiện phối hợp trởkháng Do cấu trúc của mạch antenna được thiết kế nên vị trí của dây chêm được đặt ngay tạiantenna Để thực hiện phối hợp trở kháng thì điện nạp của dây chêm: Với dây chêm ngắnmạch thì chiều dài của dây chêm được tính dựa theo công thức:

Cấu hình của dây chêm song song được thực hiện mô phỏng trong hình 12

Hình 12: Mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng một dây chêm song song