CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 Giới thiệu anten vi dải (Microstrip Antenna) Các khái niệm đầu tiên về anten vi dải được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955. Nhưng phải 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo. Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch (mặt bức xạ) rất mỏng với bề dày t<< λ : bước sóng không gian tự do nằm trên Dielectirc Substrate (lớp chất nền điện môi) có ε <=10 , phía đối diện với patch là Ground Plane (mặt phẳng đất). Patch là vật dẫn điện, thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng bất kỳ.1 Anten vi dải và hệ trục tọa độ Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác.
Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng hình học khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt, hình vành khuyên. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 Hình 1.2 Các dạng anten vi dải thông dụng Một số ứng dụng của anten vi dải: - Các anten dùng trong thông tin vô tuyến. - Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy anten vi dải phát xạ. - Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng anten vi dải để định vị.
- Vũ khí thông minh. - Sử dụng cho GSM hay GPS.2 Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải Anten vi dải có nhiều ưu điểm so với các anten vi sóng thông thường và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số 100MHz-100GHz. Anten vi dải có các ưu điểm [3]: - Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, bề dày mỏng. - Chí phí chế tạo thấp, dễ dàng để sản xuất hàng loạt.
- Phân cực tuyến tính và phân cực tròn với phương pháp tiếp điện đơn giản. - Anten hoạt động ở nhiều tần số kép và anten phân cực kép có thể thực hiện dễ dàng. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 - Có thể dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp vi sóng. - Các đường tiếp điện và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể được cùng thiết kế trên một cấu trúc anten.
- Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng. - Tương thích với các thiết bị di động. Nhược điểm của anten vi dải [3] - Có băng thông hẹp. - Suy hao lớn trong cấu trúc tiếp điện của các anten mảng.
- Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất. - Khả năng tản nhiệt của anten vi dải kém. - Các bức xạ không mong muốn ở đường cấp nguồn và các mối nối còn khá nhiều. - Khả năng điều khiển điện áp thấp.
- Độ lợi và hiệu suất giảm, mức độ phân cực chéo cao với anten mảng ở tần số cao. - Xuất hiện sóng bề mặt.3 Một số loại anten vi dải thông dụng 1.1 Anten patch vi dải Anten patch vi dải (Microtrip patch antenna: MPA) bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học phẳng hay không phẳng trên một mặt của đế điện môi và mặt phẳng đất nằm trên mặt phẳng còn lại của đế. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 Hình 1.3 Anten patch vi dải Các thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó, anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau (vuông, chữ nhật, tròn,.) nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình chữ nhật và hình tròn là hai dạng thông dụng và được sử dụng rộng rãi [3].4 Một số hình dạng thông dụng của anten patch vi dải 1.2 Anten khe mạch in Anten khe mạch in (Printed slot antenna) có cấu tạo gồm một khe trong mặt phẳng đất của một đế được nối đất, khe này có nhiều hình dạng khác nhau: hình chữ nhật, hình tròn,.
Anten này có thể được tiếp điện bằng sóng dẫn phẳng hay đường truyền vi dải, bức xạ theo hai hướng hay trên cả hai mặt của khe [3]. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 Hình 1.5 Các hình dạng anten khe mạch in 1.3 Anten vi dải lưỡng cực Anten vi dải lưỡng cực có hình dạng giống với anten patch hình chữ nhật những khác nhau ở tỉ số L/W. Chiều rộng của anten lưỡng cực so với anten patch thường bé hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do. Đồ thị bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch vi dải giống nhau nhưng có các đặc tính khác nhau như: điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo.
Anten vi dải lưỡng cực thích hợp với các ứng dụng tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện môi có bề dày tương đối nên đạt được băng thông đáng kể [3].6 Anten vi dải lưỡng cực 1.4 Anten vi dải sóng chạy GVHD: Ts. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 Anten vi dải sóng chạy (Microtrip traveling-Wave antenna: MTA) gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường vi dải đủ dài và rộng để có thể hỗ trợ chế độ truyền TE. Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được mắc tải có điện trở được phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng đứng trên anten [3].7 Anten vi dải sóng chạy 1.4 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 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).1 Tiếp điện sử dụng đường truyền vi dải Phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần. Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in cấp cao, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất.
Mặt phẳng đất là mặt phản xạ do đó đường truyền vi dải có thể được xem là đường truyền gồm hai dây dẫn. Có hai tham số chính là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao tấm điện môi h. Một tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền. Hai tham số đôi khi có thể được bỏ qua là độ dày dải dẫn điện t và điện dẫn suất sigma.
Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 Feed Hình 1.8 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải 1.2 Tiếp điện bằng probe đồng trục Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền tải công suất cao tần. Phương pháp này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với mặt phẳng đất của anten vi dải. Ưu điểm: - Đơn giản trong quá trình thiết kế. - Có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ phối hợp trở kháng.
Nhược điểm: - Vì dùng đầu feed hàn vào patch nên có phần dư ra phía ngoài làm anten không hoàn toàn phẳng và mất tính đối xứng. - Khi cần cấp nguồn trong thiết kế mảng sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên gây khó khăn cho việc thiết kế và giảm độ tin cậy. - Khi cần tăng băng thông của anten đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền dẫn đến bức xạ rò và điện cảm của probe tăng lên và tăng chiều dài lõi cáp. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 Hình 1.9 Tiếp điện dùng cáp đồng trục 1.3 Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture Coupling) Phương pháp này cũng thường được sử dụng nhằm loại bỏ bức xạ không cần thiết của đường vi dải.
Cấu trúc gồm hai lớp điện môi, patch được đặt trên cùng, mặt phẳng đất ở giữa có một khe hở nhỏ, khe ghép luôn đặt dưới và chính giữa bản kim loại nhằm giảm phân cực chéo do tính đối xứng, đường tiếp điện ở lớp điện môi dưới.10 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe Ưu điểm: thông thường lớp điện môi trên có hằng số điện môi thấp hơn lớp điện môi dưới nên hạn chế bức xạ không mong muốn. Nhược điểm: phương pháp khó thực hiện do phải làm nhiều lớp, làm tăng độ dày của anten. Phương pháp sử dụng cho băng hẹp.4 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupling) Bản chất của phương pháp là ghép điện dung giữa đường cấp nguồn và patch. Cấu trúc này gồm hai lớp điện môi, đường patch nằm ở miếng điện môi trên đường tiếp điện ở giữa hai lớp điện môi.
Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 12 Hình 1.11 Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần Ưu điểm: - Loại bỏ bức xạ không mong muốn trên đường tiếp điện. - Cho băng thông rộng (khoảng 13%). Nhược điểm: - Khó khăn trong việc thiết kế và thi công vì đường tiếp điện nằm trong hai lớp điện môi và làm anten có chiều dày hơn.5 Anten patch hình chữ nhật Anten patch hình chữ nhật là một anten phẳng cơ bản nhất, nó bao gồm một phiến dẫn điện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất. Có nhiều phương pháp tiếp điện cho anten, nhưng thông thường tiếp điện bằng cáp đồng trục hoặc đường truyền vi dải.
Phần tiếp điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra khỏi patch. Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Lê Thị Hoài BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 13 (a) (b) (c) Hình 1.12 Anten patch hình chữ nhật (a) Phân bố trường ở mode cơ bản (b) Phân bố dòng trên bề mặt patch (c) Phân bố điện áp (U), dòng (I) và trở kháng (Z) theo chiều dài patch Hình 12. a, điện trường bằng không ở tâm patch, đạt cực đại (dương) ở một cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đối diện. Tuy nhiên sự biến đổi giữa cực đại và cực tiểu xảy ra liên tục do pha tức thời của tín hiệu đặt vào anten.
Điện trường mở rộng ra cả bên ngoài mặt phân giới điện môi- không khí. Thành phần điện trường mở rộng này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch bức xạ. Một số phương pháp phân tích anten vi dải phổ biến dựa trên khái niệm hốc cộng hưởng rò. Do đó, mode cơ bản khi sử dụng lý thuyết hóc cộng hưởng là mode TM10.
Kí hiệu này thường gây ra nhầm lẫn.