Thiết kế và mô phỏng mạch lọc siêu cao tần sử dụng cấu trúc dgs

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu, bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao High-temperature Superconductors - HTS, mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần Monolithic Microwave Int

621.3815 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THễNG

đồ án tốt nghiệp đại học

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ Mễ PHỎNG MẠCH LỌC SIấU CAO TẦN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS

n d n : ThS NGUYỄN THỊ KIM THU

n v n t c n : ĐẶNG QUANG ĐẠT

Mó số s n v n : 0951083551

NGHỆ AN - 2014

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU iii

TÓM TẮT NỘI DUNG iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

Chương 1 BỘ LỌC TẦN SỐ 1

1.1 Khái niệm bộ lọc tần số 1

1.2 Sự phát triển của mạch lọc tần số 3

1.3 Phân loại bộ lọc 4

1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) 5

1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) 5

1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) 6

1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) 6

1.4 Mạch lọc cao tần 7

1.5 Hướng nghiên cứu 7

1.6 Lựa chọn phương pháp thiết kế 9

1.7 Tổng kết chương 1 9

Chương 2 LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH LỌC SIÊU CAO TẦN 10

2.1 Sơ lược về mạng siêu cao tần 10

2.2 Phân tích mạch lọc siêu cao tần 11

2.2.1 Các tham số của mạng siêu cao tần 11

2.2.2 Bộ lọc thông thấp 16

2.2.3 Bộ lọc thông cao 18

2.2.4 Mạch lọc thông dải 20

2.3 Anten vi dải 23

2.3.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 23

2.3.2 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 24

2.3.3 Lý thuyết đường truyền vi dải 25

2.3.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method) 27

2.4 Cấu trúc DGS 31

2.4.1 Khái niệm 31

2.4.2 Cấu trúc cơ bản và đặc tính dẫn truyền 31

2.4.3 Cấu trúc DGS đơn nhất 33

2.4.4 DGS chu kỳ 34

2.5 Công nghệ băng thông siêu rộng Ultra Wideband 35

2.5.1 Lịch sử công nghệ băng thông siêu rộng 35

2.5.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng 36

2.5.3 So sánh các công nghệ truyền thông wireless đã có 39

2.5.4 Các ứng dụng của công nghệ UWB 41

2.6 Tổng kết chương 2 42

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH LỌC SIÊU CAO TẦN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS 43

3.1 Sơ lược về phần mềm HFSS 43

3.2 Quy trình thiết kế 44

3.3 Thiết kế bộ lọc thông thấp sử dụng cấu trúc DGS 45

3.3.1 Mạch tương đương của DGS 45

3.3.2 Chọn cấu trúc DGS và các thông số thiết kế 46

3.3.3 Kết quả mô phỏng 49

3.4 Thiết kế bộ lọc thông dải dải rộng 51

3.4.1 Bài toán thiết kế 51

3.4.2 Thiết kế mạch lọc thông dải UWB sử dụng đưởng truyền vi dải 51

3.4.3 Thiết kế mạch lọc thông dải UWB sử dụng cấu trúc DGS 56

3.4.4 Mô phỏng trên phần mềm HFSS 59

3.4.5 Kết quả và thảo luận 59

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

LỜI NÓI ĐẦU

Trên thế giới, việc nghiên cứu về bộ lọc đã thu về rất nhiều kết quả Có khá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế các bộ lọc Tuy nhiên, trong nước ta hiện nay vẫn còn khá ít nghiên cứu thực tế về việc thiết kế và chế tạo mạch lọc Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triển một cách nhanh chóng Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phải được chia sẻ Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu, bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperature Superconductors - HTS), mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits - MMIC), hệ vi điện cơ (MEMS) đã trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc lọc

vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính , chẳng hạn như các phần mềm thiết kế và mô phỏng trường điện từ (HFSS) đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần

Chính vì những vai trò quan trọng của bộ lọc tần số và bằng những kiến thức đã

học được ở trường, em đã chọn đề tài “Thiết kế và mô phỏng mạch lọc siêu cao tần

sử dụng cấu trúc DGS” Trong quá trình xây dựng đồ án này khó có thể tránh những

sai sót, rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông - trường Đại học Vinh đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành chương trình đào tạo

Nghệ An, tháng 01 năm 2014

Sinh viên

Đặng Quang Đạt

TÓM TẮT NỘI DUNG

Đồ án tập trung thiết kế và mô phỏng mạch lọc siêu cao tần sử dụng cấu trúc DGS hoạt động tại dải tần từ 3,1 Ghz đến 11 Ghz Đầu tiên nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu trúc DGS đến bộ lọc thông thấp Tiếp theo thiết kế mạch lọc thông dải UWB sử dụng đưởng truyền vi dải và một mạch lọc thông dải UWB sử dụng cấu trúc DGS Dựa vào các kết quả đó, só sánh và đánh giá các phương pháp được thực hiện trên

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 2.1 Bảng so sánh các tham số của công nghệ UWB tương ứng với các

tiêu chuẩn truyền thông khác nhau 40 Bảng 3.1 Các thông số của mạch lọc thông dải 54 Bảng 3.2 Các thông số của mạch lọc thông dải DGS 58

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Bốn loại bộ lọc 1

Hình 1.2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công 2

Hình 1.3 Bộ lọc thông thấp lý tưởng 5

Hình 1.4 Bộ lọc thông cao lý tưởng 5

Hình 1.5 Bộ lọc thông dải lý tưởng 6

Hình 1.6 Bộ lọc chắn dải lý tưởng 7

Hình 2.1 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần 10

Hình 2.2 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) 11

Hình 2.3 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương 15

Hình 2.4 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ 16

Hình 2.5 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3 17

Hình 2.6 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện tham số tập trung 17

Hình 2.7 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang 19

Hình 2.8 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải 19

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b) 20

Hình 2.10 Biến đổi tương đương sử dụng các bộ biến đổi 21

Hình 2.11 Mạch lọc thông dải sử dụng bộ biến đổi trở kháng 22

Hình 2.12 Mạch lọc thông dải sử dụng bộ biến đổi dẫn nạp 22

Hình 2.13 Anten vi dải 23

Hình 2.14 Các dạng anten vi dải thông dụng 24

Hình 2.15 Đường truyền vi dải 26

Hình 2.16 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 28

Hình 2.17 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 29

Hình 2.18 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aperture coupled 29

Hình 2.19 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần - Proximity Coupled 30

Hình 2.20 Hình dạng mặt phẳng đế DGS 31

Hình 2.21 Cấu trúc DGS cơ bản 32

Hình 2.22 Hệ số truyền đạt và phản xạ của cấu trúc DGS 32

Hình 2.23 Các hình dạng cấu trúc DGS khác nhau 33

Hình 2.24 Cấu trúc DGS chu kỳ 34

Hình 2.25 Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng 37

Hình 2.26 Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà 38

Hình 2.27 Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời 38

Hình 2.28 Phân chia dải tần trong UWB 39

Hình 2.29 So sánh về khoảng cách tương tác và tốc độ truyền dữ liệu 39

Hình 2.30 So sánh về độ rộng băng tần và mật độ phổ công suất 40

Hình 3.1 Mô phỏng cấu trúc mạch lọc 44

Hình 3.2 Cấu trúc mạch lọc đặt trong vùng bức xạ 45

Hình 3.3 Kết quả kiểm tra lỗi 45

Hình 3.4 Sơ đồ tương đương của bộ lọc thông thấp DGS 45

Hình 3.5 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS 46

Hình 3.6 Cấu trúc DGS có miền ăn mòn a,b và khe (g) 47

Hình 3.7 Cấu trúc DGS với độ rộng khe (g) = 1.2mm 48

Hình 3.8 Cấu trúc DGS với a=b=6.2 mm và (g) ở biên 48

Hình 3.9 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi vị trí khe (g) 49

Hình 3.10 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi độ rộng khe (g) 50

Hình 3.11 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi giá trị a dần đến b 50

Hình 3.12 Cấu trúc đường truyền vi dải 52

Hình 3.13 Cấu trúc mạch lọc thông thấp 52

Hình 3.14 Cấu trúc hình học của mạch lọc thông cao 53

Hình 3.15 Cấu trúc mạch lọc thông cao trong thiết kế mạch lọc thông dải 54

Hình 3.16 Cấu trúc hình học của mạch lọc thông dải 54

Hình 3.17 Đáp ứng tần số của mạch lọc 55

Hình 3.18 Hình dạng mặt phẳng đế DGS 56

Hình 3.19 Cấu trúc mạch lọc thông thấp LPF 57

Hình 3.20 Nguyên tắc thiết kế mạch lọc thông dải vi dải cấu trúc DGS 57

Hình 3.21 Cấu trúc hình học mạch lọc thông dải UWB cấu trúc DGS 58

Hình 3.22 Mô phỏng cấu trúc mạch lọc 59

Hình 3.23 Đáp ứng tần số của mạch lọc cấu trúc DGS 59

Hình 3.24 So sánh đáp ứng tần số giữa hai phương pháp thiết kế 60

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BPF Band-pass filter Bộ lọc thồng dải

BSF Band-stop filter Bộ lọc chắn dải

DGS Defected Ground Structure Cấu trúc đào thoát mặt đất

DR Direct sequency Trải phổ chuỗi trực tiếp

EIRP Equivalent isotropically radiated

power

Năng lượng bức xạ đẳng hướng

FCC Federal Communications

Commission

Hội đồng truyền thông liên bang Mỹ

FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp vi sai hữu hạn

miền thời gian FEM Finite Difference Time Domain Phương pháp phần tử hữu

hạn HFSS Ansoft High Frequency Structure

Simulator

Phần mềm mô phỏng cấu trúc tần số của Ansoft HPDGS Horizontal Periodic Defected

Ground Structure

DGS chu kỳ theo chiều ngang

HPS High-pass filter Bộ lọc chắn dải

IEEE Intitute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện Kỹ sư điện và điện tử

IF Intermediate frequency Bộ khuếch đại trung tần

LO local oscillator Bộ dao động nội

LPF Low-pass filter Bộ lọc thông thấp

MB Multiband Xử lý tín hiệu đa băng

MB-UWB Multi Band-UWB UWB đa băng

MoM Method of Moments Phương pháp Moments

MTA Microstrip Traveling - Wave

Antennas

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao PBG Photonic bandgap Khoảng trống băng quang

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

SPICE Simulation Program With

Integrated Cỉcuit Emphais

Chương trình mô phỏng với

vi mạch tập trung

SS Spread Spectrum Trải phổ SWR Signal Wave Radio Tỷ số sóng đứng

UWB Ultra WideBand Băng thông cực rộng

VPDGS Vertical Periodic Defected Ground

Structure

DGS chu kỳ theo chiều dọc

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân

Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị

dẫ đường, cảm biến và các hệ thống khác Với sự tiến bộ của thông tin và các ứng dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ cho ngày càng nhiều hệ thống Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trong một khoảng phổ tần nhất định Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số đó Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệ thống, như trong hình 1.2 là sơ đồ một máy thu phát vô tuyến

Hình 1.2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công

Phần sơ đồ khối phía trên thực hiện chức năng thu, còn phần phía dưới thực hiện chức năng phát Hai chức năng này sử dụng chung một anten, một bộ song công (duplexer) và bộ dao động nội (LO) Có thể thấy, nhiều bộ lọc được sử dụng trong hệ thống và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Chẳng hạn như trong phần thu, bộ lọc phía sau LNA được dùng để chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ từ đường truyền Nếu không có sự ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh cũng sẽ được đổi xuống trung tần (IF) và gây ra nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) của

hệ thống Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp sẽ khử đi thành phần không mong muốn trong tín hiệu sau trộn cũng như tần số rò từ bộ dao động nội Trong phần phát, một bộ lọc được đặt giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất để lựa chọn tần

số mong muốn và loại bỏ các tần số khác được tạo ra sau bộ đổi tần lên Cả khối phát và khối thu đều sử dụng chung một bộ song công gồm hai mạch lọc thông dải Một bộ lọc có dải thông là dải tần thu, được dùng để lựa chọn tần số cho bộ thu và khử các tín hiệu khác truyền đến bộ thu Với bộ lọc kia, tần số trung tâm là tần số phát, bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng

1.2 Sự phát triển của mạch lọc tần số

Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất một cách độc lập bởi Campbell và Wagner vào năm 1915 Kết quả có được xuất phát từ những nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Các nghiên cứu sau đó phát triển theo hai hướng độc lập, đó là nghiên cứu lý thuyết về các tham số ảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss)

Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởi Campbell, Zobel và một vài người khác Phương pháp này giúp xây dựng các mạch lọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng hai cửa khác hẳn các tham số tán xạ như đã biết Sự mô tả này được lý tưởng hóa vì các tham số đầu vào và đẩu ra của một khâu hai cửa trong phương pháp này thường không thể hiện chính xác được Vì thế phương pháp tham số ảnh chỉ là phương pháp xấp xỉ Ưu điểm của phương pháp này là có thể thiết kế ra những mạch lọc bậc cao mà không cần sự trợ giúp của máy tính Đây chính là phương pháp thiết kế bộ lọc duy nhất được biết đến cho đến năm 1939 và cũng là phương pháp thủ công duy nhất Tuy nhiên, người thiết kế khó có thể kiểm soát được đặc tính của dải thông và dải chắn khi sử dụng phương pháp này Vì thế nếu yêu cầu độ chính xác nhiều hơn thì phương pháp này không đảm bảo

Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra thông dụng và có hiệu quả hơn phương pháp tham số ảnh được Darlington và Cauer đề xuất vào năm 1939 Về cơ bản, lý thuyết này sẽ xấp xỉ các đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt, và xây dựng nên một mạch điện thỏa mãn hàm truyền đạt đó Như vậy, bài toán xấp xỉ hóa và bài toán thực hiện có thể được giải quyết riêng rẽ một cách tối ưu và chính xác nhất Với phương pháp này, việc thiết kế mạch lọc được chia thành 2 bước: Xác định hàm truyền đạt thỏa mãn yêu cầu đặc tính của mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụng đáp ứng tần đã được ước lượng bằng hàm truyền đạt Tuy nhiên, phương pháp này chưa được chú ý ngay do yêu cầu một khối lượng tính toán khổng lồ Cho đến giữa những năm 1950, phương pháp này mới bắt đầu được áp dụng rộng rãi Với sự tiến

bộ của các hệ thống máy tính tốc độ cao, phương pháp tổn hao xen dần dần trở nên thông dụng hơn cả phương pháp tham số ảnh Phương pháp này sẽ được đề cập kỹ hơn trong phần sau của đồ án

Cùng với sự hoàn thiện của lý thuyết, các thiết kế mạch lọc được phát triển

từ các mạch cộng hưởng tham số tập trung LC đến các cấu trúc cộng hưởng tham số phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường truyền vi dải Đồng thời, những tiến bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo các dạng cấu trúc lọc khác, như vật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn … Mạch lọc vi dải là một dạng cấu trúc lọc quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in

Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc được sử dụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải Các bộ lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao

và kích thước nhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo Các cấu trúc điện môi cũng có kich thức nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹ thuật xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này Bộ lọc ống dẫn sóng được áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trong các úng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn

Hiện nay, các mạch lọc thông dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội, như sự dễ dàng trong việc chế tạo

và các vật liệu để tạo thành chúng

1.3 Phân loại bộ lọc

Bộ lọc có thể được chia thành hai loại riêng biệt: bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Bộ lọc tích cực có các thiết bị khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu trong khi bộ lọc thụ động không chứa các thiết bị khuếch đại để tăng cường tín hiệu Vì

có hai thành phần thụ động trong một thiết kế bộ lọc thụ động các tín hiệu đầu ra có biên độ nhỏ hơn so với tín hiệu đầu vào tương ứng của nó, do đó bộ lọc thụ động RC làm giảm bớt các tín hiệu và có mức tăng ít hơn một

Theo dạng đáp ứng tần số, người ta chia mạch lọc tần số thành bốn loại: mạch lọc thông thấp (Low-pass filter - LPF), mạch lọc thông cao (High-pass filter - HPF), mạch lọc thông dải (Band-pass filter - BPF) và mạch lọc chắn dải (Band-stop filter - BSF) Hai loại mạch lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại mạch lọc còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới

1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter)

Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) là bộ lọc chỉ cho thành phần có tần

số thấp hơn đi qua Những thành phần tần số lớn hơn tần số giới hạn của bộ lọc sẽ

(1.1)

Dải thông

0

1 1

a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc

1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)

Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) là bộ lọc chỉ cho phép tần số lớn hơn tần số giới hạn đi qua Những thành phần tần số nhỏ hơn tần số giới hạn của bộ lọc sẽ bị chặn lại

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng được định nghĩa như sau:

(1.2)



Dải thông Dải chắn

1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter)

Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) là bộ lọc chỉ cho phép tần số nằm trong khoảng vùng tần số giới hạn đi qua Những thành phần tần số nhỏ hơn hoặc

lớn hơn tần số giới hạn của bộ lọc đều bị chặn lại

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng được định nghĩa như sau:

2

1

1

00

c c

Hình 1.5 Bộ lọc thông dải lý tưởng

a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc

1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter)

Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) ngược lại của bộ lọc thông dải, bộ lọc chắn dải là bộ lọc cho phép tần số nằm ngoài khoảng vùng tần số giới hạn đi

qua Những tần nằm trong vùng tần số giới hạn của bộ lọc sẽ bị chặn lại

Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được định nghĩa như sau:

2

1

0

01

c c

Tại các tần số thấp (thường là dưới 500 MHz), mạch lọc có thể được tạo thành từ các linh kiện tham số tập trung là cuộn cảm, tụ điện Nhưng khi tần số hoạt động của mạch lọc ở trong dải siêu cao tần, điện kháng và điện nạp của các thành phần mạch điện không còn biến thiên tuyến tính theo tần số nữa Việc thiết kế mạch lọc siêu cao tần phải tính đến các tham số phân tán trên mạch Tuy nhiên ở tần số tương đối thấp và dải tần hẹp, các thành phần tham số phân tán vẫn có thể được xấp

xỉ dưới dạng các linh kiện tham số tập trung Việc tính toán và tổng hợp bộ lọc theo phương pháp cũ vẫn có thể được áp dụng với độ chính xác tương đối cho dải tần siêu cao

1.5 Hướng nghiên cứu

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc được sử dụng với nhiều dạng đáp ứng tần khác nhau, như thông thấp, thông cao, thông dải hay chắn dải Trong các dạng đó, mạch lọc thông dải được sử dụng rộng rãi nhất Nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải đã được đề xuất Để đạt được yêu cầu về hoạt động trong dải thông cố định không phải là điều quá khó khăn Tuy nhiên khi đặt ra

yêu cầu dải tần phải cố định, và kích thước vật lý của mạch lọc phải được thu nhỏ tối đa thì bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và thông tin di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước của mạch lọc đã trở thành vấn

đề quan trọng bậc nhất Mặc dù kích thước mạch thông dải có thể thu nhỏ được bằng cách chế tạo trên đế điện môi có hằng số điện môi lớn, nhưng việc thay đổi cấu trúc hình học của mạch thông dải lại thường được tính đến, vì hằng số điện môi lớn thường dẫn đến hiện tượng sóng mặt và gây tổn hao nhiều hơn Đối với các mạch lọc dải hẹp, giải pháp thay đổi cấu trúc hình học thường thấy đó là bẻ gấp các đoạn đường truyền thẳng trên các mạch lọc thông thường để có dạng mạch lọc mới với kích thước nhỏ hơn

Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc trong việc tính toán trường điện từ, cũng là một động lực quan trọng góp phần lớn vào sự phát triển của những cấu trúc mạch lọc phức tạp Các phương pháp tính toán trường điện từ như phương pháp MoM (Method

of Moments), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method), phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian (FDTD-Finite Difference Time Domain) đã được phát triển trong những năm gần đây Cùng với sự xuất hiện của các công cụ mô phỏng trường điện từ sử dụng các phương pháp trên, kết quả mô phỏng trở nên đáng tin cậy và càng gần hơn với kết quả đo đạc Ngày nay, với những chiếc máy tính với khả năng tính toán được cải thiện một cách đáng kể, các nhà nghiên cứu đã có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các dạng cấu trúc lọc tần số mới

Chính vì thế, ngày càng xuất hiện nhiều các bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng với các kiểu kích thích khác nhau, được nối thêm các đoạn, các nhánh nhằm đạt được các đặc tính lọc mong muốn, nhưng với mục đích chung đều là để tạo ra các mạch lọc có kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng chọn lọc tần số tối

ưu Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc được

sử dụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải Các

bộ lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao và kích thước nhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo Các cấu trúc điện môi cũng có kich thức nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹ thuật

xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này Bộ lọc ống dẫn sóng được áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trong các úng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn

Hiện nay, các mạch lọc thông dải vi dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội cũng như sự dễ dàng trong việc thiết kế và chế tạo

Sử dụng đường truyền vi dải là một kỹ thuật mới được phát triển để thiết kế mạch lọc thông dải (BPF) kết hợp với độ gợn sóng dải thông lớn hơn 100%

1.6 Lựa chọn phương pháp thiết kế

Đồ án sẽ nghiên cứu thiết kế mạch lọc siêu cao tần băng thông siêu rộng Phương pháp được lựa chọn là sử dụng đường truyền vi dải, sau đó kết hợp với cấu trúc DGS

Kết quả thu được sẽ đưa ra kết luận về ưu nhược điểm của mỗi phương pháp Quá trình phần tích thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm HFSS

1.7 Tổng kết chương 1

Như vậy có thể thấy, với vai trò là một thành phần không thể thiếu trong các

hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, mạch lọc tần số và các lý thuyết phân tích thiết kế mạch lọc đã có một quá trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn thiện Tuy nhiên việc nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn tiếp tục được thực hiện trong thời gian gần đây dựa trên những phương pháp tính toán cơ bản nhằm tạo ra những cấu trúc lọc kích thước gọn nhẹ và khả năng chọn lọc tần số tối ưu nhất Các lý thuyết này sẽ

được trình bày chi tiết hơn trong các chương sau

Chương 2

LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH LỌC SIÊU CAO TẦN

2.1 Sơ lược về mạng siêu cao tần

Khái niệm siêu cao tần (Microwave) dùng để chỉ sóng điện từ dao động điều hòa có tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, với chiều dài bước sóng tương ứng từ λ = c/f = 1m tới λ = 1mm

Sóng điện từ với tần số trên 30 GHz đến 300 GHz gọi là dải sóng milimeter; phổ tần phía trên dải sóng milimeter là của tia hồng ngoại, với bước sóng từ 1 µm đến

1 mm Bên trên dải tần của tia hồng ngoại là phổ tần của ánh sáng nhìn thấy được, phổ tần của tia cực tím và sau đó là tia X Bên dưới dải phổ siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency - RF) Ranh giới giữa dải tần vô tuyến điện và dải siêu cao tần thường không cố định Vì thế theo nghĩa rộng, các ứng dụng cao tần thường được hiểu là các thiết bị, hệ thống điện hoạt động trong dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz Dải tần này được chia thành các băng tần nhỏ hơn, như trong hình 2.1 [1]

Hình 2.1 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1]

2.2 Phân tích mạch lọc siêu cao tần

2.2.1 Các tham số của mạng siêu cao tần

Một mạch lọc cao tần nói riêng hay một mạch điện cao tần có hai đầu cuối

nói chung có thể được mô tả bằng một mạng hai cửa như hình 2.2, với V1, V 2 và I 1 ,

I 2 là điện áp và cường độ dòng điện lần lượt tại cửa 1 và cửa 2, Z 01 và Z 02 là trở kháng đầu cuối, Es là điện áp nguồn Ở đây, điện áp và dòng điện là các đại lượng dao động điều hòa theo thời gian Điện áp ở cửa 1 bằng:

     j t   j t

e V e

V t

V t

v1  1cos  Re 1  Re 1 

(2.1) Biên độ điện áp tại cửa 1 được coi là biên độ phức và có thể viết như sau:



j

e V

Hình 2.2 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) Đối với một mạch cao tần, việc đo cường độ dòng điện và điện áp đôi khi không quan trọng bằng đo công suất vào và ra Mặt khác, ở tần số siêu cao, việc đo điện áp và dòng điện thường chỉ cho những đại lượng như tỷ số sóng đứng (SWR),

hệ số phản xạ… Tham số dễ đo nhất là công suất tới và công suất phản xạ, điều kiện thử lý tưởng là khi mạng 2 cửa được phối hợp tải Người ta định nghĩa các biến số

a 1 ,b 1 và a 2 ,b 2 , trong đó a biểu thị sóng công suất tới và b biểu thị cho sóng công suất phản xạ Mối quan hệ giữa các biến công suất và điện áp, dòng điện là:

1

n n n n n

n

n V I a a b b

Dấu (*) thể hiện giá trị liên hợp phức Ở đây có thể thấy a n a*n/ 2 là công suất

tới cửa n, còn b n b n*/ 2 là công suất phản xạ tại cửa n

a Ma trận tán xạ S

Hệ phương trình tuyến tính mô tả hoạt động của mạng hai cửa như trong hình 2.3 sử dụng sóng công suất là các biến số:

2 22 1 21 2

2 12 1 11 1

a S a S b

a S a S b

12 11 2

1

a

a S S

S S b

b

(2.6)

Hay      b  S  a

Ma trận S được gọi là ma trận tán xạ của mạng hai cửa

Các tham số tán xạ S mn được xác định như sau:

0 1

1 11

1 21

0 1

2 21

2 22

Các tham số S11 và S 22 được gọi là hệ số phản xạ, còn S 12 và S 21 được gọi là

hệ số truyền đạt Các tham số tán xạ thường là các số phức nên được biểu diễn dưới dạng biên độ và pha Giá trị biên độ thường được đổi sang đơn vị decibels (dB)

mn

j mn

mn S e

 dB S dB

S mn  20 log mn m, n = 1; 2 (2.8) Đối với bộ lọc, người ta định nghĩa hai tham số sau:

Trong đó LA là tổn hao xen giữa cửa n và cửa m, L R là tổ hao ngược tại cửa n

Ngoài ra, người ta còn định nghĩa tỷ số sóng đứng về điện áp (Voltage Standing Wave Ratio - VSWR) như sau:

11

mn mn

s VSWR

21 ( )

d

d s d







Tham số tán xạ có một số tính chất quan trọng khi phân tích mạng cao tần

Đối với mạng hai cửa tương hỗ S 12 = S 21 Nếu mạng hai cửa là đối xứng, thì ngoài

tính chất tương hỗ, còn có S11 = S 22 Giả sử mạng hai cửa không có tổn hao, tổng

công suất truyền qua và công suất phản xạ trở lại phải bằng tổng công suất tới Định luật bảo toàn năng lượng trong mạng hai cửa không có tổn hao có thể viết như sau:

Viết dưới dạng ma trận:

21 22 2 2

21 22 2 2

Đối với mạng hai cửa tương hỗ: AD - BC = 1 (2.18)

Đối với mạng hai cửa đối xứng: A = D (2.19)

Nếu mạng hai cửa không có tổn hao, A và D có giá trị thực còn B và D có giá

trị thuần ảo

Ma trận ABCD đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hệ thống cao tần bao gồm nhiều mạng hai cửa được ghép nối với nhau theo kiểu nối tầng Kiểu ghép nối này thường được sử dụng trong việc phân tích thiết kế mạch lọc, vì hầu kết các kiểu mạch lọc đều được cấu tạo nên từ các thành phần ghép nối tầng với nhau Đầu tiên, ta xét trường hợp đơn giản, cấu trúc nối tầng bao gồm hai mạng hai cửa như trong hình 2.3

Hình 2.3 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương

Với cấu hình nối ghép như trên, ta có:

2.2.2 Bộ lọc thông thấp

Hình 2.4 mô tả sơ đồ một mạch lọc hai cửa có nguồn điện áp V S với trở

kháng nguồn Z S , trở kháng tải Z L Với giả thiết sóng công suất tới mạch lọc có biên

độ bằng 1; biên độ của sóng phản xạ và sóng truyền qua sẽ bằng hệ số phản xạ

 

R  và T  , là các hàm phụ thuộc tần số

Hình 2.4 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ

Mạch lọc thông thấp có thể được đặc trưng bởi tần số chuẩn hóa   / c

với c là tần số cắt, và đáp ứng tần được đặc trung bởi tham số tổn hao xen giữa:

Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa bằng:

Hình 2.5 mô tả tham số tổn hao xen giữa của mạch lọc thông thấp bậc 3 Giá trị tổn hao xem tại tần số cắt  c 1bằng Lc Nhìn vào hai đồ thị, có thể thấy rõ

ràng đáp ứng tần của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần số cắt so với mạch lọc Butterworth Nói cách khác, bộ lọc Chebyshev có đặc tính lọc dốc hơn, gần hơn với dạng đặc tính lọc của bộ lọc lý tưởng như trong hình 2.5

Hình 2.5 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3

a) kiểu Butterworth; b) kiểu Chebyshev

Hình 2.6 là hai dạng mạch lọc thông thấp kiểu bậc thang, trong đó g k là thành

phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k, g 0 và g N+1 là điện trở hoặc điện dẫn chuẩn hóa của nguồn và tải

Hình 2.6 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện tham số tập trung

Đối với mạch lọc thông thấp kiểu Butterworth, với L c = 3dB tại c 1, các giá trị chuẩn hóa g k được tính theo công thức sau:

N 

  k= 1,2,3…,N (2.25)

Đối với mạch lọc Chebyshev, giả sử cho trước giá trị Lc tại  c 1, hằng số k

có thể được tính như sau:

1 1

2 sinh 2

a g

Mẫu bộ lọc thông thấp ở trên được đặc trưng bởi một mạch điện hình bậc

thang có các thành phần điện cảm và điện dung (gk) trong miền tần số chuẩn hóa

  / c Áp dụng phương pháp trên vào việc tính toán thiết kế các dạng lọc khác như thông cao, thông dải hay chắn dải trong miền tần số thực, người ta sử

dụng một phép biến đổi tần số để đưa đồ thị đáp ứng tần trong miền tần số chuẩn hóa Ω về miền tần số ω Cùng với đó là một phương pháp biến đổi trở kháng đồng thời giữa trở kháng nguồn tải với điện kháng của các thành phần mạch lọc

Sơ đồ mạch lọc thông dải hai cửa và đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số được mô tả trong hình 2.7 và hình 2.8

Hình 2.7 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang

Hình 2.8 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải

Công thức biến đổi tần số từ tần số chuẩn hóa của mạch lọc thông thấp sang tần số thực của mạch lọc thông dải:

Từ hình 2.7, có thể thấy các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch

lọc thông thấp sẽ được biến đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối

tiếp trong mạch lọc thông dải, với điều kiện tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần số cắt dưới của mạch thông dải phải bằng giá trị tổn hao xen tại  c 1 của mạch thông thấp ban đầu

Như vậy, các giá trị Lk và C k của từng nhánh cộng hưởng sẽ được tính như sau:

k L k

g R L



 ;

2 1 2

c c k

 2 1

2 0

L c c

g C

Trong triển khai thực tế, đôi khi việc thiết kế đồng thời các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp và song song là không dễ dàng, nhất là ở dải tần siêu cao Vì thế, người ta sử dụng các bộ biến đổi trở kháng hoặc biến đổi dẫn nạp để liên kết các bộ cộng hưởng cùng một kiểu nối tiếp hoặc song song với nhau tạo thành mạch lọc thông dải

Hình 2.9 mô tả bộ biến đổi trở kháng và bộ biến đổi dẫn nạp, có tác dụng

biến đổi trở kháng Zb hoặc dẫn nạp Y b ở một đầu thành trở kháng Z a hoặc dẫn nạp Y a

khi nhìn vào đầu kia của bộ biến đổi Giá trị trở kháng đặc trưng và dẫn nạp đặc

trưng của các bộ biến đổi này lần lượt là K và J Ta có:

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a)

và bộ biến đổi dẫn nạp (b) 2

a b

K Z Z

2

a b

J Y Y

Xét một mạng bao gồm phần tử dẫn nạp Y p  đặt giữa hai bộ biến đổi trở kháng như trong hình 2.10 (a) ta có;

Trở kháng vào nhìn từ hai đầu của mạng bằng 2  

p

K Y  cũng bằng trở kháng nối tiếp Z S 

Như vậy dẫn nạp song song Y p  được biến đổi thành trở kháng nối tiếp

 

S

Z 

Tương tự, trở kháng nối tiếp Z S  đặt giữa hai bộ biến đổi dẫn nạp J cũng

tương đương một phần tử dẫn nạp song song Y p  như trong hình 2.10 (b)

Đặc tính này của các bộ biến đổi có thể giúp chuyển mạch lọc có sơ đồ như hình 2.7 thành một mạch lọc chỉ bao gồm các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song

Quan trọng hơn, nó giúp cho việc triển khai các bộ lọc cao tần trở nên thuận tiện hơn khi các bộ cộng hưởng chỉ bao gồm các thành phần tham số phân tán nối tiếp hoặc song song

Hình 2.10 Biến đổi tương đương sử dụng các bộ biến đổi

a) Trở kháng (K); b) Dẫn nạp (J) Hình 2.11 và hình 2.12 [1] mô tả hai dạng mạch lọc thông dải sử dụng bộ biến

đổi trở kháng và biến đổi dẫn nạp Trong trường hợp thứ nhất, mạch chỉ bao gồm

các bộ cộng hưởng nối tiếp với điện kháng X k  , và giữa hai bộ cộng hưởng liên tiếp nhau X k  và X k1  là một bộ biến đổi trở kháng K k k, 1  Trong trường hợp thứ hai, chỉ có các bộ cộng hưởng song song với điện nạp B k  được nối với nhau qua các bộ biến đổi dẫn nạp J k k, 1  Các bộ cộng hưởng thường là các cấu trúc ống dẫn sóng hay đường truyền siêu cao tần có các giá trị tham số phân tán

Cách tính giá trị K và J cũng được cho trong hình

Hình 2.11 Mạch lọc thông dải sử dụng bộ biến đổi trở kháng [1]

g g



1 , 1

dX x

g g



1 , 1

dB b





2.3 Anten vi dải

2.3.1 Gi i thi u chung về anten vi dải

Các ý 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 Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson và được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t <<

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

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

có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động Đối với một patch hình chữ 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 2.13

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

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

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

2.3.2 Các hình dạn cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác

Chúng 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 2.14 Các dạng anten vi dải thông dụng Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản sau: anten patch vi dải, dipole

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

 Anten patc v dả

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 còn lại của đế Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống như một dipole Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vuông và hình tròn

là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi

 D pole v dả

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 hơn 0.05 lần bước sóng

trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân

cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau Anten dipole vi dải thì thích

hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải

 Printed Slot Antenna

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

một đế được nối đất (ground substrate) Khe này có thể có nhiều hình dạng khác

nhau như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến, Anten loại này bức xạ theo hai hướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe

 Microstrip Traveling - Wave Antennas (MTA)

Microstrip Traveling - Wave Antennas 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 để có thể

hổ 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 trong bất kỳ

2.3.3 Lý thuyết đ ng truyền vi dải

Một cấu trúc vi dải thông thường được minh họa trong hình 2.15 (a) Dải dẫn

sóng có bề rộng W và độ dày t được đặt trên một đế điện môi có hằng số điện môi

tương đối r và chiều dày h, bên dưới đế là mặt phẳng kim loại nối đất Phân bố

điện trường trên đường truyền vi dải được mô tải trong hình 2.15 (b)

(a) (b)

Hình 2.15 Đường truyền vi dải

a) Cấu trúc hình học; b) Phân bố trường Giả sử không có đế điện môi r 1, đường truyền vi dải lúc này sẽ trở thành

đường dây song hành với hai dải dây dẫn phẳng cách nhau một khoảng là 2h (Mặt

phẳng nối đất có thể được loại bỏ theo nguyên lý ảnh gương) [2] Trong trường hợp

này, ta có một đường truyền sóng TEM đơn giản, với vận tốc pha v p = c = 3.10 8 m/s

và hằng số lan truyền  k0  

Khi đặt dải dẫn lên trên đế điện môi, và phía trên đế điện môi là môi trường không khí, thì việc phân tích đường truyền lúc này trở nên phức tạp hơn rất nhiều Phần lớn trường điện từ sẽ truyền trong vùng điện môi giữa dải dẫn và mặt phẳng nối đất, còn một phần trường điện từ đi vào vùng không khí phía trên đế Như vậy đường truyền vi dải không phải là một đường truyền sóng TEM hoàn toàn, vì vận tốc pha của sóng TEM trong vùng điện môi là sẽ là c/ r , nhưng vận tốc pha trong

vùng không khí sẽ là c

Trên thực tế, trường điện từ trên đường truyền vi dải là một kiểu lai tạp giữa sóng TM-TE Nhưng trong hầu hết các ứng dụng thực tế, chiều dày đế điện môi là rất nhỏ so với chiều dài bước sóng h, nên có thể coi sóng truyền trong đường

vi dải gần như sóng TEM (quasi-TEM) [2]

Vận tốc pha và hằng số lan truyền khi đó được tính như sau:

eff p

c v

