Thiết kế và mô phỏng anten mảng đồ án tốt nghiệp đại học

Đồ án bao gồm 3 chương với nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu và định nghĩa anten, nêu ra một số tham số cơ bản để đánh giá hiệu suất của anten như: giản đồ bức xạ, công suất bức xạ,

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

-

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẢNG

Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ THỊ KIỀU NGA

MSSV: 0951080309

NGHỆ AN – 2014

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

LỜI NÓI ĐẦU iv

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 LÍ THUYẾT ANTEN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Các tham số cơ bản của anten 1

1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 1

1.2.2 Giản đồ bức xạ 2

1.2.3 Mật độ công suất bức xạ 5

1.2.4 Cường độ công suất bức xạ 6

1.2.5 Hệ số định hướng 7

1.2.6 Hệ số tăng ích 7

1.2.7 Băng thông 8

1.2.8 Trở kháng vào 9

1.2.9 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng 9

1.2.10 Hệ số phản xạ ( ) 10

1.2.11 Hệ số tổn hao (RL) 11

1.2.12 Hệ số sóng đứng (VSWR) 11

1.2.13 Hiệu suất của anten 12

1.3 Anten vi dải 12

1.3.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 12

1.3.2 Định nghĩa về một anten vi dải 12

1.3.3 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 13

1.3.4 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA) 15

1.3.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA (feed method) 16

1.3.5.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 17

1.3.5.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục 17

1.3.5.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 18

1.3.5.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled 18

1.3.6 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải 19

1.3.7 Mô hình đường truyền (Transmission Line) 21

1.3.7.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 22

1.3.7.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng 23

1.3.8 Trường bức xạ của anten vi dải 23

1.3.8.1 Thế vectơ và một số công thức tính trường bức xạ 24

1.3.8.2 Công suất bức xạ 25

1.3.8.3 Công suất tiêu tán 26

CHƯƠNG 2 MẢNG ANTEN VI DẢI 27

2.1 Giới thiệu chung về mảng 27

2.2 Mảng hai phần tử 28

2.3 Mảng tuyến tính N phần tử, đồng nhất biên độ, đồng nhất khoảng cách 31

2.3.1 Mảng broadside và mảng End-Fire 34

2.3.2 Mảng quét [Phased (Scanning) Array] 36

2.4 Mảng tuyến tính N phần tử và các đặc tính ba chiều 37

2.4.1 N phần tử nằm dọc theo trục z 37

2.4.2 N phần tử nằm dọc theo trục X hoặc Y 37

2.5 Mảng tuyến tính N phần tử, biên độ đồng nhất, khoảng cách đồng nhất 38

2.5.1 Hệ số mảng 38

2.5.2 Mảng schebyscheff 40

2.6 Mảng hai chiều 40

2.6.1 Hệ số mảng 40

2.6.2 Độ rộng búp sóng 43

2.6.3 Độ định hướng 44

2.7 Thay đổi đặc tính bức xạ của anten mảng hai chiều 45

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN 47

3.1 Thiết kế và mô phỏng anten 0.9 Ghz 47

3.1.1 Yêu cầu thiết kế 47

3.1.2 Tính toán thông số anten 48

3.1.3 Xác định vị trí tiếp điện bằng cáp đồng trục 48

3.1.4 Mô phỏng 48

3.1.4.1 Mô hình anten vi dải thiết kế bằng chương trình Ansoft HFSS 48

3.1.4.2 Tần số cộng hưởng 49

3.1.4.3 Hệ số sóng đứng VSWR 50

3.1.4.4 Đồ thị Smith 50

3.1.4.5 Đồ thị bức xạ 3D 51

3.2 Thiết kế và mô phỏng anten mảng 0.9GHz 51

3.2.1 Thiết kế 51

3.2.2 Kết quả mô phỏng 51

3.2.2.1 Mô hình mô phỏng anten mảng 51

3.2.2.2 Tần số cộng hưởng 52

3.2.2.3 Hệ số sóng đứng VSWR 53

3.2.2.4 Đồ thị Smith 53

3.2.2.5 Đồ thị bức xạ 3D 54

3.3 So sánh hai kết quả mô phỏng anten 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu, từ rất lâu con người biết dùng lửa, các âm thanh và kí hiệu tượng hình để liên lạc với nhau Theo quá trình phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người tỉ lệ thuận với nó Nhu cầu thông tin liên lạc tăng lên, đòi phù hợp với thực tế là nhanh, chính xác và truyền trong khoảng cách xa thì không thể giữ cách thức liên lạc của cha ông đi trước vì nó không đáp ứng vì hạn chế và rủi ro của nó Chính từ những nhu cầu đó mà thôi thúc con người phải tìm ra phương thức truyền thông tin liên lạc mới Cho đến năm 1837, Samuel Morse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện phát ra tiếng Phát minh này đã làm giảm đi rất nhiều độ rủi ro của thông tin nhưng vẫn bị hạn chế

là không thể truyền đi được xa Năm 1894 thì Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả trong chân không, đó là sóng điện từ Lúc này đã khắc phục được hạn chế về khoảng cách truyền Nó được kiểm nghiệm bởi Maconi, Ông đã thành công trong việc truyền tín hiệu qua Đại Tây Dương bằng sóng vô tuyến năm 1902 Đây là sự kiện mở ra kỷ nguyên mới về thông tin liên lạc, là nền móng của những ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông ngày nay

Anten là một thiết bị có vai trò rất to lớn trong việc truyền thông tin liên lạc,

là thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu Anten xuất hiện từ rất lâu, có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới Anten phổ biến khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc ti vi đèn hình sử dụng nó Lúc này anten có cấu tạo đơn giản, chỉ là những chiếc anten đơn cực và sau này dần là hệ thống anten được

sử dụng rất nhiều và phổ biến

Đi cùng với sự phát triển mạnh mẽ về các công nghệ đầu cuối thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Điểm mạnh của anten vi dải so với các anten thông thường là kích thước nhỏ gọn, linh hoạt về tần số cộng hưởng, cấu trúc ổn định và đặc biệt là phù hợp với công nghệ vi dải hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng Không những thế, anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc anten mảng (array anten) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn thế

nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong nhiều ứng dụng kỹ thuật cao

Đề tài này gồm có 3 chương:

Chương 1 Anten vi dải

Chương 2 Anten mảng vi dải

Chương 3 Thiết kế và mô phỏng anten vi dải

Do nhiều mặt còn hạn chế, trong quá trình tìm hiểu cũng còn mang nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những sai sót

Em mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin gửi đến cô Lê Thị Kiều Nga lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc

về sự hướng dẫn nhiệt tình của cô trong suốt quá trình em làm đồ án tốt nghiệp Cô

đã rèn luyện cho em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê vào khoa học kỹ thuật Tất cả nhừng gì cô mang đến là hành trang quan trọng cho em tiếp tục trên con đường khoa học kỹ thuật sau này

Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, ặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Viễn Thông đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu trong quá trình học để trang bị một nền tảng kiến thức vững chắc để hoàn thành đồ án tốt nghiệp và sẵn sàng bước vào tương lai

Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn trong nhóm đồ án đã

có những giúp đỡ Chia sẻ, thảo luận và động viên trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Nghệ An, tháng 01 năm 2014 Sinh viên

Trần Hải Xuyến

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Đồ án này tập trung nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng anten mảng vi dải hoạt động ở tần số 0.9Ghz Anten được chế tạo trên chất nền có hằng số điện môi = 4.4, độ dày là 1,66mm và được thiết kế tại tần số f = 900Mhz

Đồ án bao gồm 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1: Giới thiệu và định nghĩa anten, nêu ra một số tham số cơ bản để đánh giá hiệu suất của anten như: giản đồ bức xạ, công suất bức xạ, hệ số định hướng, độ lợi, trở kháng vào… Giới thiệu vầ lý thuyết anten vi dải, ưu và nhược điểm, ứng dụng của anten vi dải Nêu ra một số anten vi dải cơ bản và các kỹ thuật cấp nguồn cho anen vi dải

Chương 2: Anten mảng vi dải: giới thiệu các lý thuyết liên quan đến anten mảng vi dải (mảng 2 phần tử, mảng 4 phần tử, mảng 8 phần tử, mảng 16 phần tử…) Chương 3: Thiết kế và mô phỏng anten vi dải

- Thiết kế và mô phỏng anten vi dải bằng chương trình mô phỏng Ansoft HFSS

- Thiết kế và mô phỏng anten mảng bằng chương trình mô phỏng Ansoft HFSS

ABSTRACT

This project focused on studied, design and simulation microstrip antenna array operating at 900MHz frequency Antenna is fabricated on substrates dielectric constant = 4.4, thickness is h =1.66 mm and was designed at the frequency of f = 900MHz

Project consists of 3 chapters with the following contents :

Chapter 1: Introduction and definition antennas , yet some basic parameters to evaluate the performance of the antenna such as radiation diagram, radiation power , system orientation, gain, input impedance About descriptions and great antenna theory, pros and cons, application of micro strip antennas If a great number of antennas and the basic techniques for anen great power

Chapter 2: micro- strip antenna arrays introduced theories involving micro- strip antenna array (array 2 element, 4 element array, the array 8 element, 16 element array )

Chapter 3: Design and simulation of antenna range

Design and simulation of single strand antenna using Ansoft HFSS simulation program

Design and simulation of antenna array simulation program Ansoft HFSS

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Các điểm null, cực đại nửa công suất, cực đại búp sóng phụ cho mảng broadside đồng nhất biên độ [4] 35 Bảng 3.1 Các thông số anten cần thiết kế 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Các trường bức xạ tại khu xa 2

Hình 1.2 Hệ tọa độ phân tích của anten 3

Hình 1 3 Bức xạ đẳng hướng 3

Hình 1.4 Bức xạ hướng tính 4

Hình 1.5 Các búp sóng trong không gian 3 chiều 4

Hình 1.6 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều 5

Hình 1.7 Cấu hình của một anten vi dải 13

Hình 1.8 Các dạng anten vi dải thông dụng [3] 13

Hình 1.9 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 17

Hình 1.10 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 18

Hình 1.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 18

Hình 1.12 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled 19

Hình 1.13 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật 20

Hình 2.1 Bốn dạng hình học của anten mảng 28

Hình 2.2 Dạng hình học của mảng 2 phần tử đặt dọc theo trục z 29

Hình 2.3 Trường vùng xa và sơ đồ pha của mảng N phần tử isotropic 31

Hình 2.4 Mảng tuyến tính N phần tử isotropic đặt dọc theo trục x 37

Hình 2.5 Cách bố trí các anten phần tử 39

Hình 2.6 Dạng hình học của mảng tuyến tính và mảng hai chiều 41

Hình 2.7 Các độ rộng búp sóng nửa công suất của búp sóng chính 43

Hình 2.8 Sơ đồ khối quá trình tác động tín hiệu thông qua trọng số phức 46

Hình 3.1 Mô hình anten vi dải thiết kế bằng Ansoft HFSS 49

Hình 3.2 Đồ thị tần số cộng hưởng của anten vi dải 49

Hình 3.3 Hệ số sóng đứng của anten 50

Hình 3.4 Trở kháng vào của anten 50

Hình 3.5 Độ lợi của anten 51

Hình 3.6 Mô hình mảng 4 anten vi dải thiết kế bằng Ansoft HFSS 52

Hình 3.7 Đồ thị tần số cộng hưởng của anten mảng vi dải Từ hình 3.7 ta có: 52

Hình 3.8 Hệ số sóng đứng của anten 53

Hình 3.9 Trở kháng vào của anten 53

Hình 3.10 Độ lợi của anten 54

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin liên lạc cá nhân GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu MSA Microstrip Antenna Anten vi dải

MTA Microstrip Traveling – Wave Antenna Anten sóng chạy vi dải

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng

HPBW Half – Power Beamwidth Một nửa băng thông

CHƯƠNG 1

LÍ THUYẾT ANTEN 1.1 Giới thiệu

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển… đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện

từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Anten là một thiết bị không thể thiếu trong khoa học và đời sống Ta hiểu anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện

từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài

Trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bào gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) [1]

1.2 Các tham số cơ bản của anten

Khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ, giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích, … [2]

1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian, bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ Trước hết, trường

từ biến thiên sinh ra trường điện biến thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo

ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên Quá trình này lặp

đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau

là trường điện (E) và trường từ (H) Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten, nó sẽ hình thành hai trường Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này bị ràng buộc với anten, có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình 1.2) Tại trường khu xa, chỉ có bức xạ được duy trì Trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Các trường bức xạ tại khu xa Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ cùng một anten tạo nên trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự

do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường khu xa là một sóng phẳng, khi sóng truyền đi, năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng dần theo khoảng cách Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng

1.2.2 Giản đồ bức xạ

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặc tính bức xạ và đặc tính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không gian Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công suất bức xạ, cường độ bức xạ, hệ số định hướng, … Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế, đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten

Hình 1.2 Hệ tọa độ phân tích của anten

- Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng là một anten giả định, nó chuyển toàn bộ công suất đầu vào thành công suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế

Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại

Hình 1 3 Bức xạ đẳng hướng

Hình 1.4 Bức xạ hướng tính Hình 1.3 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.4 thể hiện bức xạ hướng tính của anten Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao cho mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x, y hoặc z) như hình 1.4

- Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân thành các loại sau: thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau Hình 1.3 minh họa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ, như ta thấy một

số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Hình 1.6 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D)

Hình 1.5 Các búp sóng trong không gian 3 chiều HPBW ( Half – Power Beamwidth) một nửa băng thông có thể được định nghĩa là góc đối diện với các điểm sức mạnh một nửa của thùy chính Trong mặt phẳng chứa hướng cực đại của một chùm tia, góc giữa những định hướng mà cường

độ bức xạ là một nửa giá trị tối đa của chùm tia Trong thiết kế này, các phương vị phải <100 và thiên đỉnh <100

- Main Lobe (Thùy chính) là thùy chứa hướng bức xạ cực đại, trong hình 1.6 thùy chính có hướng θ = 0

- Minor Lobe (Thùy nhỏ): Tất cả các thùy khác sau đó các thùy chính được gọi

là các thùy nhỏ Các thùy đại diện cho các bức xạ theo các hướng không mong muốn Mức độ nhỏ thùy thường được biểu diễn như một tỷ lệ mật độ điện ở thùy trong câu hỏi đó của thùy chính Tỷ lệ này được gọi là mức độ bên thùy (tính bằng decibel)

- Back Lobe( Thùy lưng): Đây là thùy nhỏ hoàn toàn trái ngược thùy chính

- Side Lobe (Thùy bên): Đây là các thùy nhỏ tiếp giáp với các thùy chính và được phân cách bằng các giá trị khác nhau Thùy bên nói chung là lớn nhất trong số các thùy nhỏ Trong hầu hết các hệ thống không dây, thùy nhỏ là không mong muốn

Do đó một thiết kế anten tốt nên giảm thiểu các thùy nhỏ[3]

Hình 1.6 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều

1.2.3 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫn sóng Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tức thời:

W = E × H (1.1) Trong đó W = vector Poying tức thời (W/ )

E = cường độ điện trường tức thời (V/m)

H = cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân

thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín

∬ = ∬ (1.2)

Trong đó: P = tổng công suất tức thời (W)

= vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt

da = vi phân diện tích của bề mặt ( )

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung

bình bằng cách lấy tích phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho

một chu kỳ Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng , ta định

nghĩa được thành phần E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và

H theo công thức như sau :

E (x,y,z)= Re [E(x,y,z) =

Re [ + (1.3) H(x,y,z)= Re [H(x,y,z) ] = Re [ + (1.4)

Khi đó có thể viết lại :

W = E × H = Re ] + Re[ ] (1.5)

Thành phần đầu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ

hai biến đổi theo thời gian với tần số bằng 2 lần tần số cho trước.Vector Poying

trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình ) có thể được viết lại:

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng

được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số của

trường xa và được xác định bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình

phương khoảng cách:

U = (1.8) Trong đó: U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

Đơn giản là hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường

độ bức xạ của anten theo hướng cho trước ( ) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng ( )

(1.10) =

Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau:

(1.11) Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

là tổng công suất bức xạ (W)

Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức:

(1.12) với là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính

1.2.6 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu

suất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng và khoảng cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) theo hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

G(θ,φ) = đ ô ư (θ φ) đ ô (1.13)

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực) Trong thực tế,tham số này đã đưa

ra tham số hiệu suất của anten, , cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào

G = (1.14)

1.2.7 Băng thông

Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định Băng thông có thể là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng), ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào, độ rộng búp sóng, hướng búp sóng, giản đồ, phân cực,cấp thùy bên,…) đạt giá trị có thể chấp nhận được

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 10 lần tần số dưới

BW =

(1.15) Với các anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm Ví dụ, băng thông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông

BW = (1.16) Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào, giản đồ, hệ số tăng ích, phân cực…của anten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa

băng thông khác nhau Tùy các ứng dụng cụ thể,yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp

từ trường tương ứng ở cùng một điểm”

Ở đây, ta chỉ quan tâm tới trở kháng tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp trên dòng điện, không có tải, xác định trở kháng của anten như sau: [2]

ZA = RA + jXA (1.17) Trong đó: ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)

XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Nói chung, thành phần điện trở trong (1.24) bao gồm 2 thành phần là:

RA = Rr + RL (1.18) Trong đó: Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten

RL trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là một hàm của tần số Do đó, anten chỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện ở trong cùng một dải tần nào đó Và trở kháng vào của anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác: hình dạng của anten, kỹ thuật điện, ảnh hưởng của các đối tượng xung quanh

Do sự phức tạp của chúng, chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm

1.2.9 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng

Hàm hướng tính cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn cảm nhận được bằng trực thị tính hưởng của anten ta phải sử dụng đồ thị Đồ thị được vẽ bởi hàm tính hướng

Đồ thị phương hướng của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng

cách kháo sát cố định (tính từ anten)

Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiện thị hướng tính ba chiều Đó là đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trọng tọa độ vuông góc, loại đồ thị có thể hiện thị dễ dàng trên giấy Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn của anten

Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các khác nhau

Từ đồ thị phương hướng nhận thấy rằng, giá trị của trường bức xạ biến đổi theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rọng búp sóng được xác định bởi gọc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách dánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rọng búp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đố công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại Nếu tính theo giá trị mà theo hai hướng

đó cường độ điện trường giảm đi hai lần so với giá trị cức đại, cảu anten trong tọa

độ cực

Nếu tính theo đơn vị decibel (dB) thì công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với công suất sẽ giảm đi 3 dB Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là độ rộng búp sóng 3 dB Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xaj, nếu góc 3 dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạ càng mạnh [4]

1.2.10 Hệ số phản xạ ( )

Khi xem xét các ứng dụng tần số cao hơn, một hiện tượng nổi bật mà phải được tính đến là sự hiện diện của sự phản xạ xảy ra trong đường truyền dẫn Mỗi đường dây truyền tải có điện trở liên kết với nó và đi kèm với việc xây dựng nó Đây được gọi là hệ số trở kháng đặc tính của nó Z0 Các tiêu chuân giá trị trở kháng đặc tính là 50 Tuy nhiên khi đường truyền bị chấm dứt với một ZL tải tùy

ý, trong đó không tương đương với trở kháng đặc tính của nó (Zl ≠Z0), một làn sóng phản xạ khác sẽ xảy ra

Hệ số phản xạ được định nghĩa để cho một thước đo của hiện tượng này Nó

là tỷ số giữa biên độ của điện áp phản xạ V0-, với biên độ của sóng tới V0+, và được cho là:

RL = -20log| | (dB) (1.20)

Đối với kết hợp hoàn hảo giữa máy phát và anten, = 0 và RL = ∞ có nghĩa là

sự cố điện sẽ không được phản xạ trở lại

Trong khi = 1 có một RL = 0 dB, ngủ ý rằng tất cả các sự cố điện được phản

xạ Đối với ứng dụng thực tế, một VSWR = 2 là chấp nhận được, vì điều này tương ứng với sự mất mát tương đương với giá trị - 9,54 dB

1.2.12 Hệ số sóng đứng (VSWR)

Để cho anten hoạt động hiểu quả, tối đa thì quá trình chuyên giao phải diễn ra giữa máy phát và anten Công suất tối đa chuyển giao có thể xảy ra chỉ khi trở kháng của anten (Zin) cũng chính là trở kháng của máy phát (ZS)

Nếu điều kiện cho phù hợp, sau đố một số sóng có thể phản xạ trở lại và điều này dẫn đến việc tạo ra sóng đứng, có thể được đặc trưng bởi một tham số gọi là tỷ

số điện áp làn sóng thường vụ (VSWR)

VSWR =

= =

(1.21) VSWR là tham số cho biết mức độ phù hợp giữa các đường dây truyền tải và anten Khi VSWR từ 1 đến 1 (1:1) quá trình chuyển giao là hoàn hảo và tất cả nang lượng được chuyển giao cho các anten trước ki được phát ra Trong một hệ thống anten, hệ số phản xạ của nó cũng chính là S11 của nó Ngoài ra, với một anten chuẩn,

thì hệ số VSWR tối thiểu thường ≤ 1,5 [2]

1.2.13 Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa công suất bức xạ và công suất máy phát đưa vào anten hay ta có:

(1.22) Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten Đối với anten có tổn hao thì < , do đó < 1 Gọi công suất tổn hao là ta có:

= + (1.23) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ và nên ta có:

1.3.1 Giới thiệu chung về anten vi dải

Định nghĩa về những cấu trúc phát xạ vi dải được đưa ra lần đầu tiên bởi Deschamps vào năm 1953 Tuy nhiên phải hai mươi năm sau thì những anten thực

tế mới được sản xuất Anten thực tế đầu tiên được phát triển vào đầu những năm

1970 bởi Howell và Munson Kể từ đó, việc nghiên cứu, phát triển các anten vi dải

và các mạng anten vi dải không ngừng được mở rộng, nhằm khai thác triệt để những ưu điểm cũng như hạn chế bới các nhược điểm của nó

1.3.2 Định nghĩa về một anten vi dải

Một anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một mảnh phát xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có một lớp nền dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi (r  10)

Hình 1.7 Cấu hình của một anten vi dải Mảnh phát xạ làm bằng các chất dẫn điện, thông thường là đồng và vàng, có thể

sử dụng bất kỳ hình dạng nào, nhưng những hình dạng thường được sử dụng là những hình dạng sao cho việc phân tích dễ dàng và tính toán thiết kế hiệu quả Trong trường hợp lý tưởng, hằng số điện môi rnhỏ (r<2.5), từ đó làm tăng các trường vân – để giải thích cho việc phát xạ của anten Tuy nhiên, do các yêu cầu về hiệu xuất khác nên có thể phải sử dụng các vật liệu lớp đế có hằng số điện môi lớn hơn (r>5) Nhiều dạng của lớp đế với hằng số điện môi biến thiên trong một khoảng rộng đang được phát triển

1.3.3 Các hình dạng 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)[3]

Hình 1.8 Các dạng anten vi dải thông dụng [3]

Miếng phát xạ

Lớp đế Mặt phẳng đất

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

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

- Anten patch vi dải

Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng 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

- Dipole vi dải

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng chỉ khác nhau tỷ số L/W Bề rộng của dipole thông thường bé 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)

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

đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng 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 phương nào từ broadside đến endfire

1.3.4 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten siêu cao tần khác

Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz

đến 50Ghz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng

với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

 Ưu điểm:

 Trọng lượng thấp, kích thước nhỏ, hình dạng phẳng mỏng nên có thể chế tạo

dễ dàng

 Giá thành sản xuất thấp, dễ dàng tiến hành sản xuất hàng loạt

 Có thể được làm mỏng, thích hợp cho các thiết bị di động

 Các anten vi dải này có thể được trang bị dễ dàng trên tên lửa, vệ tinh mà không cần những sự điều chỉnh nhiều

 Các anten vi dải này có vùng tán xạ nhỏ

 Các phân cực thẳng và phân cực tròn có thể đạt bằng một thay đổi đơn giản

vị trí feed

Các anten hai băng tần có thể được chế tạo dễ dàng

 Các thiết bị như bộ dao động, bộ khuếch đại, bộ suy hao thay đổi, chuyển mạch, bộ điều biến, bộ trộn, bộ dịch pha… có thể được thêm vào trực tiếp trên

Suy hao, do đó làm cho sự khuếch đại thấp hơn một chút

 Tất cả các anten vi dải đều bức xạ trên một nửa mặt phẳng

 Các giới hạn thực tế của sự khuếch đại lơn nhất

 Hiệu xuất bức xạ endfire thấp

 Sự cách ly giữa các phần tử bức xạ và feed kém

 Khả năng của sự kích thích của các sóng bề mặt

 Công suất thấp [3]

 Ứng dụng

Trong nhiều thiết kế cụ thể, các ưu điểm của MSA là nổi trội hơn các nhược điểm của nó Hiện nay đã có nhiều ứng dụng thành công khác nhau sử dụng MSA Trong tương lai, cùng với việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển thì chúng ta có thể hy vọng rằng tính thông dụng của MSA ngày càng tăng, và chúng sẽ thay thế một cách

cơ bản các loại anten thông thường khác ở tất cả các ứng dụng Một số ứng dụng hệ

thống đáng chú ý sử dụng MSA đã được phát triển bao gồm:

 Truyền thông vệ tinh

 Hệ thống radar sử dụng hiệu ứng Doopler và các hệ thống radar khác

 Dụng cụ đo độ cao sóng Radio

 Mệnh lệnh và điều khiển

Điều khiển tên lửa từ xa

 Cảm biến từ xa và các thiết bị đo đạc môi trường

 Làm các phần tử dây dẫn trong các anten phức tạp

 Các bộ thu tín hiệu dẫn đường vệ tinh

 Bộ phát xạ sinh trắc học [3]

1.3.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA (feed method)

Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các

kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một đường

truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến patch kim

loại của anten vi dải Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số kỹ thuật cấp nguồn mới cho anten vi dải đã được nghiên cứu và phát triển Hiện nay các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng

đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-coupling), ghép gần (proximiti-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 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 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 lên

đồ thị bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp nguồn có tốt hay không?

1.3.5.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

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

nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền vi

dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này

có vài hạn chế Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước đoạn feed line là đáng kể so với patch ( ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với

khoảng vài mm) [3]

Patch

GND Feed

Hình 1.9 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải

1.3.5.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền

tải công suất cao tần Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với ground plane Ưu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp

trở kháng Tuy nhiên cách này có nhược điểm là:

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

hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng Thứ hai, khi cần cấp nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khó khăn và

độ tin cậy giảm đi Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi phải tăng

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

probe tăng lên [2]

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled

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

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

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

môi thấp, lớp điện môi ở dưới có hằng số điện môi cao để nhắm mục đích tối ưu hóa sự bức xạ của anten Tuy nhiên, phương thức cấp nguồn này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten Phương pháp cấp nguồn này thì

cho băng hẹp (narrow bandwith) [4]

1.3.5.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled

Cấu trúc này gồm 2 lớp điện môi, miếng patch antenna nằm ở miếng điện môi trên, đường feed line ở giữa 2 lớp điện môi Phương thức này có ưu điểm cao đó loại bỏ tối đa sự bức xạ của đường cấp nguồn (feed line) và cho băng thông rộng

(khoảng 13%)

є r2

є r1

Patch

Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1.12 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp ghép điện từ Phương pháp này về bản chất là ghép điện dung giữa patch và đường cấp nguồn Thông số của hai lớp nền có thể được lựa chọn để cải thiện băng thông và giảm bức xạ rò ở đầu cuối hở của đường truyền Cũng vì lí do này, bề dày của lớp điện môi thứ hai cũng mỏng hơn Bức xạ trong trường hợp này sẽ lớn hơn Tuy nhiên phương pháp này phức tạp hơn khi chế tạo và sản xuất [4]

1.3.6 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải

Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự như

là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ

số điện môi tương đối thấp Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định

từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện

mặt trên bề mặt của patch

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

source) Việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện

tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất

Dưới tác dụng của các lực đẩy, hình thành do các lực tương tác giữa các điện tử

cùng dấu, trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độ dòng mặt dưới ⃗⃗⃗ và vectơ mật độ dòng mặt trên ⃗⃗

Hình 1.13 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật

Do trong hầu hết các anten tỷ số ⁄ là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích

chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch bề mặt Và như thế, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa của patch Do vậy, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có thể thành lập các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả định này càng hợp lý hơn trong trường

hợp đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi rlớn Tương tự như trường hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không đổi và trường

điện gần như vuông góc với bề mặt của patch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity)

với các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện thì vuông góc với

bề mặt của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp

tuyến gần như bằng không) Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ

có các mode TM là có thể truyền trong hốc cộng hưởng

Bốn bức tường bên của hốc cộng hưởng tương ứng cho bốn khe bức xạ

Patch của anten vi dải có thể tượng trưng bằng một vectơ mật độ dòng ⃗⃗ tương ứng Trong khi đó, bốn khe bức xạ ở các mặt bên được đặc trưng bằng các vectơ mật độ dòng ⃗⃗ và ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ lần lượt tương ứng với trường từ ⃗⃗⃗⃗⃗ và trường điện ⃗⃗⃗⃗ trong các khe bức xạ

J  n H (1.26)

a s

M   n E (1.27)

Vì ta xét đế điện môi có độ dày mỏng nên mật độ dòng trên ⃗⃗ rất bé so với mật độ dòng dưới ⃗⃗⃗ của patch Do đó, ⃗⃗ sẽ được đặt bằng không để chỉ ra rằng hầu

như không có bức xạ từ bề mặt của patch Tương tự như thế, các trường từ tiếp tuyến dọc theo rìa của patch và mật độ dòng tương ứng ⃗⃗⃗⃗⃗ được đặt bằng không

Do vậy, chỉ còn lại một thành phần mật độ dòng khác không là vectơ mật độ dòng

⃗⃗⃗⃗⃗ dọc theo chu vi patch Để biểu diễn sự hiện diện của mặt phẳng đất ta sử dụng lý

thuyết ảnh rằng mật độ dòng sẽ tăng gấp đôi so với khi chưa xét mặt phẳng đất Mật

độ dòng mới sẽ là:

2 a s

M   n E (1 28) Trường điện trong khe bức xạ xác định:

  đối với khe có chiều dài L và độ cao h

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

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

dải hai thành phần với các thành phần mật độ dòng cùng biên độ và pha và cách

nhau một khoảng L – chiều dài của patch Do đó, bức xạ từ patch có thể được miêu

tả dưới dạng hai khe dọc (vertical slots)

Việc phân tích các khe dọc này trong môi trường điện môi không đồng nhất

là một vấn đề hết sức khó khăn nên các khe dọc này được thay thế bởi hai khe

phẳng (planar slots) Đối với các loại anten vi dải có cấu hình khác cũng có thể

được tượng trưng bởi các khe tương ứng cùng loại [4]

1.3.7 Mô hình đường truyền (Transmission Line)

Mô hình đường truyền là dễ nhất cho tất cả các loại nhưng nó cho kết quả ít chính xác nhất vì nó thiếu tính linh hoạt Tuy nhiên, nó cho một sự hiểu biết tương đối rõ ràng về tính chất vật lý Một microstrip anten hình chữ nhật có thể được mô

tả như một mảng của hai khe bức xạ hẹp, mỗi khe có chiều rộng là W, chiều cao h

và cách nhau một khoảng L Mô hình đường truyền có trở kháng thấp và có chiều dài L

1.3.7.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects)

Do kích thước của patch bị giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, trường tại gờ của patch bị viền Nhìn chung viền của một hàm theo các kích thước của patch và chiều cao của lớp điện môi Trong mặt phẳng E – plane (mặt phẳng x – y), viền là hàm theo tỷ số giữa chiều dài patch, bề dày lớp điện môi (L/h) và hằng số điện môi Khi anten vi dải có L/h 1, hiệu ứng viền được giảm bớt, tuy nhiên nó phải được đưa vào tính toán vì nó ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng của anten Như ta đã biết, hầu hết các đường sức điện trường ở trong lớp điện môi nền

và một phần của một số đường tồn tại trong không khí Khi L/h 1 1thif đường sức điện trường tập trung hầu hết trong nền điện môi Hiệu ứng viền trong trường hợp này làm cho đường truyền vi dải trông có vẻ rộng về điện hơn kích thước thực của nó Khi đó một vài sóng đi vào lớp điện môi nền, và một số khác đi vào trong không khí Hằng số điện môi hiệu dụng được sử dụng để hiệu chỉnh các hiệu ứng viền đối với sóng trên đường truyền

Để đưa ra hằng số điện môi hiệu dụng, ta giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải với kích thước và chiều cao trên mặt phẳng đất nguyên thủy của nó được đưa vào một lớp điện môi đồng nhất như hình 1 Đối với một đường truyền có không khí ở trên nền, hằng số điện môi hiệu dụng có giá trị khoảng 1

Trong hầu hết các ứng dụng mà ở đó hằng số điện môi lớn hơn nhiều so với 1 ( ) giá trị của hằng số điện môi hiệu dụng sẽ gần với giá trị hằng số điện môi thực hơn Hằng số điện môi hiệu dụng cũng là hàm của tần số Khi tần số hoạt động tăng, hầu hết các đường sức điện trường tập trung trong nền điện môi Vì vậy đường truyền vi dải sẽ gần giống với đường truyền đặt trong điện môi đồng nhất có hằng

số điện môi hiệu dụng tiến tới giá trị của hằng số điện môi nền hơn

Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là cơ bản Tại tần số trung gian các giá trị của nó bắt đầu tăng và cuối cùng tiến tới giá trị hằng số điện môi nền Giá trị ban đầu (tại tần số thấp) của hằng số điện môi hiệu dụng được diễn tả như một gá trị tĩnh

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

+ [ 1 + 12 ⁄ với W/h (1.29)

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

Do hiệu ứng viền, patch của anten vi dải về mặt điện trong có vẻ lớn hơn kích

thước vật lý của nó trong mặt phẳng x-y

Điều này được chứng minh, ta thấy chiều dài điện của patch vượt quá chiều

dài vật lý một khoảng L về mỗi phía, với L là hàm của hằng số điện môi hiệu

dụng vag tỷ số chiều rộng trên bề mặt điện môi (W/h)

Khoảng cách chênh lệch giữa chiều dài điện và chiều dài thực này được tính

theo công thức:

△L = 0,412h ( )( )

( )( ) (1.30) Khi chiều dài patch được kéo dài một khoảng L về mỗi bên, chiều dài của

patch lúc này là:

= L + 2 L (1.31)

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

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

( ) =

√ √ =

√ (1.32) Trong đó: là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do

Do hiệu ứng viền tác động đến chiều dài và hằng số điện môi hiệu dụng nên

công thức trên phải được thay thế bằng:

( ) =

√ √ =

( )√ √ = q

√ √ = q

√ với q =

( ) ( ) (1.33)

Hệ số q được diễn tả như là hệ số viền (hệ số suy giảm chiều dài) Khi chiều

cao của nền điện môi tăng hiệu ứng viền cũng tăng và dẫn đến sự khác biệt lớn giữa

những rìa bức xạ và các tần số cộng hưởng thấp hơn

1.3.8 Trường bức xạ của anten vi dải

Trường bức xạ từ anten vi dải do dòng từ bề mặt giống như bức tường dọc

theo chu vi patch Ở một phương pháp khác nhưng kĩ hơn, trường bức xạ được xác

định từ dòng điện bề mặt trên miếng patch dẫn điện của anten vi dải Cả hai phương

pháp này được xem là tương đương nhau Sự bức xạ của anten vi dải đôi lúc được