Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Trần Thanh Ngôn Chương | | ANTEN VI DAI 1.1 GIOI THIEU CHUNG VE ANTEN VI DAI Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi 2eschamps vào năm 1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi đải mới được chế tạo. Anten vi dái thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển boi Howell va Munson va duoc tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Anten vi dai đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t << do, Ao 1a bước sóng trong không gian tự đo) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất nhỏ (h << do, thuong thi 0. Patch cua 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 thé thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động.
Đối với một patch hinh chữ nhật, chiều dài L thường được sir dung trong khoang Ay/3 < L< 19/2. Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền như ìzJ 1d, Khe bức xạ #1 Khe bức xạ #2 GND (a) Anten vi dải (c) Hệ trục tọa độ (b) Mặt phẳng cắt ngang Hình 1.1 — Anten vi dai SVTH: Tur Luong Phan Nguyén — Pham Duy Bình 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Trần Thanh Ngôn Có nhiều điện môi nền có thê được sử dụng đề thiết kế anten vi dai va hang số điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2. Những lớp điện môi được sử dụng đề thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối đải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tốn hao vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn.
Giới hạn sự bức xạ các trường tốn hao Vào trong không gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện môi lớn hơn có thê được sử dụng đẻ thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trường chặt chẽ đề 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 su mat mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải Anten vi dai được đặc tá 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), hinh tron (circular), tam giác (riangular), bán cầu(semicircular), hình quat (sectoral), hình vành khuyén (annular ring).2 — Cac dang anten vi dai théng dụng.
TAt ca anten vi dai được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dai, dipole vi dai, anten khe dung ky thuat in, anten traveling-wave vi dai. © Anten patch vi dai Một anten patch vi dai bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đề điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của để. 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 SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn — Phạm Duy Bình 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Trần Thanh Ngôn 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. se Dipole vi dai Dipole vi đải có hình đạng giống với anten vi dai 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 dai va 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 (eross-polar) thì chúng hầu như khác nhau.
Anten dipole vi dai thi thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng str dung miếng để điện môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kê. Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten dipole vi dải. e Printed Slot Antenna Printed Slot Antenna co cau tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của một đề 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 đụng một mặt phản xạ ở một phía của khe. e Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA) MTA duge cầu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một đoạn đường truyền vi dai du dai va đủ rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền 7E. Trong đó, đầu của anten được nói đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten. Anten Ä/7⁄4 có thể được thiết kế để hướng búp sóng chính trong bat ky phuong nao tit broadside dén endfire.2 Dac tinh cua Microstrip Antennas (MSA) Anten vi dai (MSA) cé nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác.
Do đó, anten vi đải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz. M⁄S4 đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu qua cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục. % Uuđiểm: © C6 khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng. © Chi phi san suat thấp, dễ dàng sán xuất hàng loạt.
e _ Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản. ©_ Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thê sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten. e _ Dễ dàng tích hợp với các Ä⁄/C khác trên cùng một vật liệu nền. SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn — Phạm Duy Bình 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Trần Thanh Ngôn © _ Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thang. e_ Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân. + Khuyết điểm: © MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai. e_ Một số A⁄S4 có độ lợi thấp.
e Kha nang tích trữ công suất thấp. ° Hầu hết Ä⁄$4 đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đât. © Co bite xạ dư từ đường truyền và mối nói. MS4 có băng thông rất hẹp, thông thường chí khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn nhất của Ä⁄Š4 trong các ứng dụng cân trải phổ rộng.
Với những ưu điểm vượt trội ấy mà Ä⁄Š4s trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng. * Một số ứng dụng của Ä⁄S4z: ©_ Các anten dùng trong thông tin vô tuyến can nho gon nén MSA thường được dùng. e Cac radar do phan xạ thường dùng các dãy ÄM⁄S⁄4 phát xạ. e _ Hệ thống thông tin hàng không và vệ tỉnh dùng cdc day MSA dé dinh VỊ e Vũ khí thông minh dùng các Ä⁄S⁄4 nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.
e GSM hay GPS ciing co thé ding MSA.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dai (feed method) Do anten vi đải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dai lúc ban đầu là bằng cách dùng một đường truyền vi dải hoặc một probe đồng trục xuyên qua mặt phăng đất nói đến patch kim loai của anten vi dải. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một sô kỹ thuật cấp nguồn mới cho anten vi dải đã được nghiên cứu và phát triển. Hiện nay các phương pháp. pho biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng đường truyền vi dai, probe đồng truc, ghép khe (aperture-coupling), ghép gan (proximiti- coupling).
Việc lựa chọn cap 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 cập nguôn tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phân với nhau. Ngoài ra, việc chuyên đối trở kháng bước, việc uốn cong. cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt.
Các bức xạ không mong muôn 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? SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn — Phạm Duy Bình 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Trần Thanh Ngôn 1.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vỉ dái Việc kích thích cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một cách lựa chọn ty nhién vi patch co 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 xa khong mong muén tir doan feed line khi kích thước đoạn ƒeed line là đáng kế so với patch ( ví dụ trong trường hợp L đủ nhỏ đối với khoảng vai mm).3 —~ Cấp nguôn dùng đường truyền vi dai.2 Cấp nguồn bằng probe đằng trục Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất dé truyền tải công suất cao tan. Voi cach feed nay, phần lõi của đầu /eeđ được nối với patch, phần ngoài nỗi với ground pÏane. Ưu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng /eđ tại mọi vị trí trên tắm pa/ch do đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng. Tuy nhiên cách này có nhược điểm là: Thứ nhất, vì dùng đầu /eeđ nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mắt 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 giám đi. Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thi 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. Điểm tiếp xúc điện FIEĐESESESESESESEI =) Patch GND Cáp đồng trục Hình 1.4 — Cấp nguôn dùng cáp đông trục SVTH: Từ Lương Phan Nguyễn — Phạm Duy Bình 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Trần Thanh Ngôn 1.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe — Aperture coupled Ert Pr Đường cấp nguồn vi dải Hinh 1.