Luận văn Thiết kế dãy anten vi dải băng tần 2.4GHz

Chương 1 ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚI THIỆU 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 1.1.
Hình 1.1 – Anten vi dải 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< εr < 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. 1.1.1 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).
Hình 1.2 – Các dạng anten vi dải thông dụng. 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. 1.1.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA) Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác. Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100Mhz đến 100Ghz. 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: Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng. Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt. 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 thể sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten. Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền. Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng. Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân. Khuyết điểm: MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai. Một số MSA có độ lợi thấp. Khả năng tích trữ công suất thấp. Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất. Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối. MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng. Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng. Một số ứng dụng của MSAs: Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường được dùng. Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ. Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để định vị Vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng. GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA. 1.1.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (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? 1.1.3.1 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).
Hình 1.3 – Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải. 1.1.3.2 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.
Hình 1.4 – Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 1.1.3.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
Hình 1.5 – 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). 1.1.3.4 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%).
Hình 1.6 – 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. 1.1.4 Băng thông của MSA Như ta đã biết, hạn chế lớn nhất của MSA là độ rộng của băng thông. Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ. đối với các anten phân cực tròn, BW được tính theo hệ số quanh trục (AR). BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng của anten nằm trong một giới hạn cho trước. BW của MSA tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q:
(1-1) Với VSWR được xác định bởi hệ số phản xạ Γ:
(1-2) Hệ số phản xạ Γ đánh giá tín hiệu phản xạ tại điểm feed của anten, Γ được xác định bởi trở kháng vào Zin của anten và trở kháng đặc tính Zo của feedline:
(1-3) Thông thường, BW được xác định trong vùng tần số mà VSWR nhỏ hơn 2 (return loss < 10dB hay công suất phản xạ < 11%). Đối với những ứng dụng đặc biệt VSWR< 1.5dB (return loss< 14dB hay công suất phát xạ< 4%). Với tiêu chuẩn VSWR< 2, ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của BW(tính theo %) theo h/λo với các thông số εr khác nhau (εr=2.2 và εr=10). Công thức gần đúng cho BW:
(1-4) Với: A=180 khi
0.045 (1-5) A=200 khi 0.045
0.075 (1-6) A=220 khi
0.075 (1-7) Từ công thức trên ta thấy khi ta tăng W thì có thể tăng BW, tuy nhiên W bị giới hạn bởi λ vì nếu W>λ ta không thể truyền đơn mode. 1.1.5 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 1.7 – 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
lớn. 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.
(1-8)
(1-9) 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:
(1-10) Trường điện trong khe bức xạ xác định:
đối với hai khe có chiều dài W và độ cao h
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. 1.1.6 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 xem như là sự bức xạ của đường truyền vi dải hở mạch. Đồ thị bức xạ của một đầu hở của đường truyền vi dải tương tự như đồ thị bức xạ của một dipole Hertz. Phương pháp này cũng được dùng để tính toán sự ảnh hưởng của bức xạ lên hệ số phẩm chất Q của khung cộng hưởng vi dải. Lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã cho ta thấy rằng ở tần số cao, suy hao do bức xạ cao hơn nhiều so với suy hao do điện dẫn và điện môi. Ngoài ra, nó cũng cho ta thấy rằng đường truyền vi dải hở mạch bức xạ công suất mạnh hơn khi được chế tạo với lớp điện môi dày có hằng số điện môi thấp. Vectơ thế được dùng để xác định trường bức xạ do dòng điện mặt. 1.1.6.1 Thế vectơ và một số công thức tính trường bức xạ Trước tiên, ta giả sử rằng chỉ có dòng từ tồn tại. Trường điện và trường từ tại bất kỳ điểm P(r,θ,Ф) bên ngoài anten được biểu diễn như sau:
(1-11)
(1-12) Với ε là hằng số điện môi và μ là độ thẩm từ tuyệt đối của vật liệu, chữ “m” ngụ ý rằng trường do dòng từ gây ra và ω là tần số góc. Thế vectơ
được định nghĩa như sau:
(1-13) Trong đó, k0 là hằng số sóng trong không gian tự do và
là mật độ dòng từ bề mặt tại điểm cách gốc tọa độ một khoảng cách r’. Tương tự, bằng cách sử dụng thế vactơ từ,
, trường do dòng điện gây ra có thể được biểu diễn:
(1-14)
(1-15) Trong đó, thế vectơ từ
được cho bởi:
(1-16) Do đó, trường tổng do cả hai nguồn dòng điện và từ gây ra:
(1-17)
(1-18) Đối với trường vùng xa, thành phần trường quan rọng là các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng, tức là, thành phần theo θ và Ф. Chỉ xét riêng dòng từ, ta có:
và
(1-19) Và trong không gian tự do:
(1-20) Trong đó
là hằng số không gian tự do. Tương tự khi chỉ xét riêng dòng điện:
và
(1-21) Và trong không gian tự do:
(1-22) Trường xa được mô tả bởi điều kiện sau: r>>r’ hoặc r>>
, trong đó L là chiều dài nhất của khe. Do đó, từ (1-13) thay
=r-r’cosψ ở tử số và
ở mẫu số, ta được:
(1-23) Và từ (1-16):
(1-24) Trong đó ψ là góc hợp bởi
và
. Sau đây, ta sẽ áp dụng các kết quả trên để xây dựng trường xa của phân bố dòng hình chữ nhật. 1.1.6.2 Công suất bức xạ Công suất bức xạ của anten có thể được tính bằng cách lấy tích phân của vectơ Poynting trên khe bức xạ:
(1-25) Đối với anten vi dải, trường điện bên trong miếng patch thì vuông góc với miếng dẫn và mặt phẳng đất và trường từ thì song song với cạnh của anten. Ngoài ra, ta có thể tính toán công suất bức xạ từ đồ thị bức xạ theo phương trình sau:
(1-26) 1.1.6.3 Công suất tiêu tán Công suất tiêu tán trong anten vi dải bao gồm suy hao điện dẫn Pc và suy hao điện môi Pd:
(1-27) Trong đó, Rs là phần thực của trở kháng bề mặt của miếng kim loại, S là diện tích miếng patch và
là mật độ dòng điện bề mặt.