Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử anten đa băng dùng công nghệ mạch vi dải

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>M C L C:ỤC LỤC:ỤC LỤC:</b>

1.1. Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten...2

1.2. Cấu trúc chung của hệ anten...3

1.3. Các thông số đặc trưng của anten...4

1.3.1. Trường bức xạ...4

1.3.2. Đặc tính định hướng của trường bức xạ...5

1.3.3. Đặc tính phân cực của trường bức xạ...10

1.3.4. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích...11

1.4. Phối hợp trở kháng cho anten...13

1.4.1. Khái niệm chung...13

1.4.2. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng...14

2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải...15

2.1.1 Định nghĩa về một Anten vi dải...15

2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải:...16

2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải...17

2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải...17

2.2 Một số cấu hình anten vi dải cơ bản...29

2.2.1. Anten vi dải dạng mảnh (microstrip patch antena)...29

2.2.2. Anten vi dải sóng chạy...30

2.2.3. Anten vi dải dạng khe...31

2.3 Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải...32

2.3.1. Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải sử dụng đường truyền vi dải...32

2.3.2. Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải sử dụng cáp đồng trục...33

2.3.3. Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng...34

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>1. Một số kiến thức cơ bản về anten</b>

<b>1.1. Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten</b>

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

- Dùng các hệ truyền dẫn: Nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện mơi v.v…Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc.

- Bức xạ sóng ra khơng gian: Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ khơng gian bên ngoài được gọi là anten.

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào. Trong thông tin không dây anten làm nhiệm vụ bức xạ và hấp thụ sóng điện từ. Nó được sử dụng như một bộ chuyển đổi sóng điện từ từ các hệ truyền dẫn định hướng sang môi trường không gian tự do.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Anten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những u cầu khác nhau. Với phát thanh - truyền hình làm nhiệm vụ quảng bá thơng tin thì anten phát thực hiện bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thơng tin chuyển tiếp vơ tuyến điều khiển thì yêu cầu anten phát bức xạ với hướng tính cao...

<b>1.2. Cấu trúc chung của hệ anten</b>

Một hệ truyền thông tin không dây đơn giản thường bao gồm các khối cơ bản: máy phát – anten phát – anten thu – máy thu. Đường truyền dẫn sóng điện từ giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu được gọi là Fide (Feeder).

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực thông tin, nhận dạng, rađa điều khiển v.v…cũng địi hỏi anten khơng chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà cịn tham gia vào q trình gia cơng tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao 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). Sơ đồ chung của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<i>Hình 1 Cấu trúc chung của hệ thống anten</i>

<b>1.3. Các thông số đặc trưng của anten</b>

<i><b>1.3.1. Trường bức xạ</b></i>

Để khảo sát đặc tính trường của dịng, ta thường chia khơng gian khảo sát làm hai khu vực

<i>chính: trường gần và trường xa.</i>

<i><b>Trường gần là miền khơng gian bao quanh hệ thống dịng, có bán kính r khá nhỏ so với bước </b></i>

sóng (r << λ). Thừa số pha của trường trong khu vực này là:). Thừa số pha của trường trong khu vực này là:

<i>e</i>

<small>−</small><i><small>ikr</small></i>

=<i>e</i>

⁻<i>ⁱ<small>2 πrr</small></i>

<i><small>λ</small></i>

≈1

 _(1.1)

Khi đó có thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát so với nguồn, tương tự như trường hợp trường chuẩn tĩnh.

Năng lượng của trường gần có tính dao động. Năng lượng này trong một phần tư chu kỳ đầu thì dịch chuyển từ nguồn trường ra khơng gian xung quanh và trong phần tư chu kỳ tiếp theo

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

lại dịch chuyển ngược trở lại, giống như sự trao đổi năng lượng trong một mạch dao động. Vì

<i>vậy trường ở khu gần cịn được gọi là trường cảm ứng, và khu gần được gọi là khu cảm ứng.</i>

<i><b>Trường xa là miền không gian bao quanh hệ thống dịng, có bán kính r khá lớn so với bước </b></i>

sóng (r >> λ). Thừa số pha của trường trong khu vực này là:). Khi ấy ta không thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát. Điện trường và từ trường của khu xa ln đồng pha nhau, do đó năng lượng bức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào khơng gian xung quanh. Trường ở khu vực này có đặc tính sóng lan

<i>truyền nên trường xa cịn được gọi là khu sóng, hay khu bức xạ. Khi khảo sát các bài tốn bức</i>

xạ thì chúng ta thường chỉ quan tâm đến trường xa.

Ta có thể rút ra một số tính chất tổng quát của trường ở xa trong không gian tự do của một hệ thống nguồn hỗn hợp như sau:

- Trường bức xạ có dạng sóng chạy, lan truyền từ nguồn ra xa vơ tận. Biên độ trường suy giảm tỷ lệ nghịch với khoảng cách.

<i>- Vectơ điện tích và từ trường có hướng vng góc với nhau và vng góc với hướng truyền lan. Sóng bức xạ thuộc loại sóng điện-từ ngang.</i>

<i>- Sự biến đổi của cường độ điện tích và từ trường trong không gian (khi R không đổi) </i>

được xác định bởi tổ hợp các hàm bức xạ

<i>G</i>

<i>^e</i>

(<i>θ ,ϕ)</i>

_và

<i>G</i>

<i>^m</i>

(<i>θ,ϕ)</i>

_{. Các hàm số này}

phụ thuộc vào phân bố dịng điện và dịng từ trong khơng gian của hệ thống bức xạ. Trong trường hợp tổng quát chúng là các hàm phức số.

<i><b>1.3.2. Đặc tính định hướng của trường bức xạ</b></i>

<i><b>a) Đồ thị phương hướng biên độ và pha</b></i>

Gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướng khảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi, là hàm phương hướng của hệ thống bức xạ và kí hiệu là

¯<i>f (θ,ϕ)</i>

_.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Trong trường hợp tổng quát, hàm phương hướng là hàm vectơ phức, bao gồm các thành phần theo <i>^θ</i> và <i><small>ϕ</small></i> :

¯<i>f (θ,ϕ)=f</i>

<i>_θ</i>

(<i>θ,ϕ)¯i</i>

<i>_θ</i>

+<i>f</i>

<i>_ϕ</i>

(<i>θ,ϕ)¯i</i>

<i>_ϕ</i>

=¯<i>i</i>

<i>_θ</i>

<i>f</i>

<i>_θm</i>

<i>e</i>

<i>^{iarg f}<small>θ</small></i>

+¯<i>i</i>

<i>_ϕ</i>

<i>f</i>

<i>_ϕm</i>

<i>e</i>

<i>^{i argf}<small>ϕ</small></i>

(1.2) Biên độ của các hàm phương hướng có quan hệ với phân bố biên độ của các thành phần trường, cịn argument có quan hệ với phân bố pha của trường trên một mặt cầu có bán kính R, tâm đặt tại gốc tọa độ.

<i><b>b) Hàm phương hướng biên độ </b></i>

Nếu định nghĩa hàm phương hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độ trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi R khơng đổi, thì nó chính là biên độ của hàm phương hướng phức. Trong trường hợp tổng quát, biên độ của hàm phương hướng có thể là các hàm có dấu biến đổi khi <i>^θ,ϕ</i> thay đổi. Do đó hàm phương hướng biên độ được định nghĩa cụ thể hơn là môđun của hàm phương hướng phức. Như vậy, hàm phương hướng biên độ của trường tổng sẽ là:

|<i>f (θ,ϕ)|≡|f</i>

<i>_m</i>

(<i>θ, ϕ)|</i>

<i>_{(chỉ số m là kí hiệu biên độ của hàm bức xạ) (1.3)}</i>

Giản đồ phương hướng của anten được định nghĩa là một đồ thị không gian biểu thị sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường. Giản đồ phương hướng xét theo phương diện hình học, là một mặt được vẽ bởi đầu mút của vectơ có độ dài bằng giá trị của hàm phương hướng

^|<i>f (θ,ϕ)|</i>

_{ứng với các góc (θ,φ) khác nhau.) khác nhau.}

Có nhiều cách khác nhau để biểu thị đặc tính phương hướng khơng gian của trường bức xạ, cụ thể là:

<i><b>* Biểu diễn 3-D: Giản đồ phương hướng được thiết lập bằng cách lấy một mặt cầu bao bọc </b></i>

nguồn bức xạ. Tâm của mặt cầu được chọn trùng với gốc của hệ tọa độ cầu. Khi ấy, mỗi điểm

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<i>Hình 2 Bản đồ hướng tính khơng gian trong mặt phẳng theo tọa độ ^θ,ϕ</i>

<i><b>* Biểu diễn 2-D trong mặt phẳng E và H: Ngoài cách biểu diễn 3-D như trên, giản đồ </b></i>

phương hướng còn được biểu diễn bởi 2 đồ thị 2-D trong mặt phẳng E và mặt phẳng H. Giản đồ phương hướng 3-D có thể được xây dựng từ hai giản đồ 2-D này. Để có được giản đồ bức

<i>xạ 2-D, hệ anten được đo giản đồ phương hướng trong hai mặt phẳng E và H của anten (mặt phẳng cắt). Mặt phẳng cắt thu được bằng cách giữ nguyên một đại lượng θ hoặc ф và thay đổi</i>

đại lượng còn lại.

<i><b>* Biểu diễn dưới dạng các đường đẳng mức: Giản đồ phương hướng còn có thể biểu diễn </b></i>

bởi các đường cong đẳng mức của cường độ trường. Các đường cong này là các đường khép kín. Cực đại của giản đồ phương hướng và của các múi phụ được biểu thị bởi các dấu chấm trên mặt cầu. Khi đem chiếu phần mặt cầu có các đường đẳng trị nói trên lên mặt phẳng ta sẽ nhận được giản đồ phương hướng của trường bức xạ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Tuy nhiên, khi biểu diễn giản đồ phương hướng, cần phải chọn các mặt phẳng cắt sao cho nó phản ánh được đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ:

- Khi giản đồ phương hướng có dạng trịn xoay thì có thể chọn mặt cắt là mặt phẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị.

- Khi giản đồ phương hướng có dạng phức tạp hơn thì mặt cắt thường được chọn là hai mặt phẳng vng góc với nhau và đi qua hướng cực đại của giản đồ phương hướng. Hướng trục của hệ tọa độ có thể chọn tùy ý nhưng thường được chọn sao cho thích hợp với dạng của giản đồ phương hướng. Nếu giản đồ phương hướng có trục đối xứng thì tốt nhất nên chọn trục đó làm trục tọa độ, cịn khơng thì chọn hướng cực đại của giản đồ phương hướng.

Giản đồ phương hướng 2-D có thể biểu diễn trong hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độ vng góc:

<i>- Hệ toạ độ cực thường được sử dụng để vẽ giản đồ anten có độ định hướng khơng cao. </i>

Định dạng này đặc biệt hữu dụng để quan sát phân bố công suất trong không gian.

<i>- Hệ tọa độ vng góc được sử dụng để biểu thị giản đồ phương hướng hẹp một cách chi</i>

tiết. Trường hợp này biên độ tín hiệu nằm trên trục y và góc nghiêng nằm trên trục x. Khi đó các giá trị của |f<small>θ</small>| hoặc |f<small>φ) khác nhau.</small>| có thể được biểu thị theo thang tỉ lệ thông thường hay theo thang logarit.

Để thuận tiện cho việc thiết lập và phân tích các giản đồ phương hướng, ta thường dùng giản đồ phương hướng chuẩn hóa. Về mặt tốn học, hàm phương hướng chuẩn hóa là hàm hướng chia cho giá trị cực đại của mơđun (lấy giá trị tuyệt đối).

Dưới đây là ví dụ về giản đồ phương hướng chuẩn hoá trong hệ tọa độ cực và hệ tọa độ vng góc:

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>Hình 3 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<i>Hình 4 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vng góc</i>

<i> Để so sánh giản đồ phương hướng của các anten khác nhau, ta đưa ra khái niệm độ rộng của giản đồ phương hướng. Độ rộng của giản đồ phương hướng được định nghĩa là góc giữa </i>

hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đến một giá trị nhất định. Thường thì độ rộng của giản đồ phương hướng được xác định ở hai mức:

<i>- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức khơng là góc giữa hai hướng mà theo đó</i>

cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không.

<i>- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức nửa cơng suất (-3dB) là góc giữa hai </i>

hướng mà theo đó cơng suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với cường độ trường giảm đi

√2

_lần).

<i><b>c) Hàm phương hướng pha </b></i>

<i> Đặc tính phương hướng pha của anten biểu thị trong các hàm số </i>

<i>arg f</i>

<i>_θ</i> _và

<i>arg f</i>

<i>_ϕ</i> _của

công thức (1.3). Ở đây,

<i>arg f</i>

<i>_θ</i> _và

<i>arg f</i>

<i>_ϕ</i> _{chỉ biểu thị pha của hàm phương hướng, còn}

pha của các thành phần vectơ trường tại điểm khảo sát được xác định bởi:

<i>Φ</i>

<i>_θ</i>

=arg f

<i>_θ</i>

−<i>kR</i>

 _(1.4a)

<i>Φ</i>

<i>_ϕ</i>

=arg f

<i>_ϕ</i>

−<i>kR</i>

 _(1.4b)

Với k là hệ số truyền sóng và R là khoảng cách từ điển khảo sát tới anten.

<i><b>1.3.3. Đặc tính phân cực của trường bức xạ</b></i>

Ta đã biết ba đặc tính cơ bản của trường bức xạ là đặc tính phương hướng biên độ, đặc tính phương hướng pha và đặc tính phân cực. Ở phần này ta sẽ xem xét về đặc tính phân cực của trường bức xạ.

Biên độ phức của vectơ điện trường được xác định bằng công thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Giả thiết theo một hướng nào đấy hàm số

<i>f</i>

<i>_ϕ</i>

=0

_{, nghĩa là theo hướng đó vectơ điện trường} chỉ có thành phần duy nhất hướng theo

^¯<i>i</i>

<i>_ϕ</i> _{. Ta nói, theo hướng này điện trường phân cực}

<i>thẳng. Nếu theo một hướng khác có f<small>θ</small></i>=0 thì điện trường theo hướng đó cũng phân cực thẳng nhưng vectơ điện trường hướng theo

^¯<i>i</i>

<i>_ϕ</i> _.

<i>Nếu ở hướng nào đó mà cả hai hàm số f<small>θ</small></i> và

<i>f</i>

<i>_ϕ</i> _{đều khác khơng, cịn argument của}

chúng bằng nhau thì vectơ ¯<i>E</i> _{sẽ có hai thành phần theo hướng} ¯<i>i_θ</i> _và

¯<i>i</i>

<i>_ϕ</i> _{. Nhưng vì hai}

thành phần này đồng pha nhau nên hướng của ^¯<i>^E</i> trong không gian sẽ không đổi, ta cũng nhận được trường phân cực thẳng.

Nếu hiệu argument của hai thành phần bằng <i><small>πr</small></i> , nghĩa là có thể coi một trong hai thành phần hướng cùng chiều với vectơ đơn vị, còn thành phần thứ hai hướng ngược chiều với vectơ đơn vị nhưng hai thành phần này đồng pha nhau. Ta có hướng của vectơ ¯<i>E</i> _{trong không gian}

cũng không biến đổi và vẫn nhận được trường phân cực thẳng.

Khi ở tất cả các hướng đều nhận được trường phân cực thẳng, ta nói anten bức xạ sóng phân

<i>cực thẳng. Nếu ở hướng nào đó có f<small>θ</small></i> và

<i>f</i>

<i>_ϕ_{khác khơng, cịn arg f}_θ</i> _và

<i>arg f</i>

<i>_ϕ</i> _{có giá}

trị khác nhau tùy ý thì trường ở hướng ấy sẽ là trường phân cực elip.

Thực vậy, nếu gọi các vectơ thành phần trên hướng ^¯<i>ⁱ<small>θ</small></i> và

^¯<i>i</i>

<i>_ϕ_{là ¯E}</i>₁ <i>_{và ¯E}</i>₂ _{, còn hiệu}

argument của chúng bằng

2 (arg

<i>f</i>

<i>_ϕ_{- arg f}_θ</i> ₌ <i>^πr</i>₂ _{), ta có thể viết biểu thức giá trị tức}

thời phức số các thành phần trường (với giả thiết trường biến thiên điều hòa theo thời gian) như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

phân cực elip biến thành phân cực tròn.

Mặt phẳng tạo bởi vectơ điện trường và hướng truyền sóng được gọi là mặt phẳng phân cực.

<i><b>1.3.4. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích</b></i>

<i> Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất bức xạ bởi </i>

anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten là giống nhau.

Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn nguyên tố nào đó đã biết. Nếu lấy anten chuẩn là nguồn vơ hướng thì hệ số định hướng có thể được định nghĩa: hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp.

Công thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<i>D(θ</i>

₁

<i>, ϕ</i>

₁

)=<i>S (θ</i>

₁

<i>,ϕ</i>

₁

)

Trong đó:

<i>S(θ</i>

₁

<i>,ϕ</i>

₁

)

là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng

⁽<i>θ</i>

₁

<i>,ϕ</i>

₁

)

đã cho tại khoảng cách R.

<i> S<small>0</small></i> là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng.

Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc anten.

Tính tốn cuối cùng cho ta:

<i> Trong đó: D<small>max</small></i><b> là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại.</b>

<i>^F<small>m</small></i>²(<i>θ ,ϕ )</i> _{là hàm phương hướng chuẩn hố .}

<i>Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của </i>

anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.

<i>Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn hao </i>

cơng suất của anten. Nó được xác định bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten:

<i>η</i>

<i>_A</i>

=<i>P</i>

<i>_Σ</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<i>Trong đó: P<small>Σ</small></i> là cơng suất bức xạ

<i> P<small>0</small></i> là công suất đặt vào anten

<i>Đối với anten có tổn hao thì P<small>Σ</small> < P<small>0</small> nên η<small>A</small></i><1 . Đối với anten lý tưởng (khơng tổn hao)

<i>thì η<small>A</small></i>=1 .

<i>Trường hợp hai anten có cơng suất đặt vào như nhau, thì anten thực (có η<small>A</small></i><1 ) sẽ có cơng

<i>suất bức xạ η<small>A</small>P</i>₀ _{. Như vậy, so với khi cơng suất bức xạ bằng nhau thì trong trường hợp này} <i>tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng η<small>A</small></i> .

Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten:

<i>ε(θ ,ϕ )=^η</i>

<i>^A</i>

<i>^{S(θ , ϕ)}</i>

<i>S</i>

₀

⁼<i>^η</i>

<i><small>A</small></i>

<i>D(θ ,ϕ )</i>

(1.11) Hệ số tăng ích của anten là một thơng số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng vì nó khơng chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị tổn hao trên anten.

<b>1.4. Phối hợp trở kháng cho anten</b>

<i><b>1.4.1. Khái niệm chung </b></i>

Trong đường truyền nói chung, tiếp điện cho anten nói riêng, việc phối hợp trở kháng là hết sức quan trọng.

Nội dung của phối hợp trở kháng được minh hoạ ở hình 5, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng . Mạch phối hợp thường là một mạch khơng tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Z<small>o</small> của đường truyền. Khi ấy sự phản xạ sóng ở phía trái

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn sẽ khơng cịn nữa, chỉ cịn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều lần . Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh.

<i>Hình 5 Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyềnsóng</i>

<i><b>1.4.2. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng</b></i>

Sự phối hợp trở kháng hay điều chỉnh là quan trọng vì những lí do sau :

- Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại còn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu.

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v.. - Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp diện cho dàn anten

gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chọn công suất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Miếng phát xạ

Lớp đế Mặt phẳng đất

<b>2. Lý thuyết về anten vi dải</b>

<b>2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải</b>

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.

<i><b>2.1.1 Định nghĩa về một Anten vi dải</b></i>

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 mơi, và có một lớp nền dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện mơi (<i><small>r</small></i> <small></small>¹⁰<i>). </i>

<i>Hình 6 Cấu hình của một anten vi dải</i>

Mảnh phát xạ làm bằng các chất dẫn điện, thơng 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 tốn thiết kế hiệu quả. Trong trường hợp lý tưởng, hằng số điện mơi

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">



nhỏ (



<i><small>r</small></i><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 (



<i><small>r</small></i>>5). Nhiều dạng của lớp đế với hằng số điện môi biến thiên trong một khoảng rộng đang được phát triển.

<i><b> 2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải:</b></i>

Anten vi dải có một số ưu điểm so với các loại anten siêu cao tần khác và do đó nó được sử dụng nhiều trong các ứng dụng trên băng tần rộng từ khoảng 100MHz đến 50GHz.

<i><b>a. Một số ưu điểm cơ bản của anten vi dải so với các loại anten siêu cao tần khác</b></i>

 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 trịn 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 bề mặt lớp đế của anten.

 Đường feed line và mạng phối hợp được sản xuất đồng thời với cấu trúc của anten.

<i><b>b. Bên cạnh những ưu điểm như trên thì các anten vi dải cũng có một số nhược điểm</b></i>

 Băng thơng hẹp

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

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

 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  Cơng suất thấp

Tuy nhiên, chúng ta có nhiều cách để giảm nhỏ một cách cơ bản ảnh hưởng tiêu cực của các nhược điểm kể trên. Ví dụ, sự kích thích của sóng bề mặt có thể được triệt tiêu hoặc loại trừ bằng cách thực hiện một cách cẩn thận trong cả quá trình thiết kế và sản xuất.

<i><b>2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải</b></i>

Trong nhiều thiết kế cụ thể, các ưu điểm của anten vi dải là nổi trội hơn các nhược điểm của nó. Hiện nay đã có nhiều ứng dụng thành công khác nhau sử dụng anten vi dải. Trong tương lai, cùng với việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển thì chúng ta có thể hy vọng rằng tính thơng dụng của anten vi dải 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

<i>anten vi dải đã được phát triển bao gồm:</i>

- 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

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Lớp đế

<i><b> 2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải</b></i>

Dạng đơn giản nhất của một anten vi dải đó là một cấu trúc lớp với hai lớp dẫn điện song song được phân biệt với nhau bởi một lớp đế điện môi mỏng. Lớp dẫn điện phía dưới hoạt động như một lớp nền. Thiết bị này trở thành một anten vi dải khi lớp dẫn điện phía trên là một miếng có chiều dàixấp xỉ một nửa bước sóng (hình 1.7)

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Các khe phát xạ

<i>Hình 9 Trường điện của anten nhìn theo chiều thẳng đứng</i>

Các trường bức xạ của anten vi dải có thể được suy ra từ sự thay đổi của các điều kiện dòng điện và sự phân bố dọc theo cấu trúc của anten.

Trong hình 1.7 thể hiện cả dòng điện bề mặt (K) và dòng từ bề mặt (M). Trường khu xa có thể được tính tốn từ một dịng từ duy nhất cộng với điều kiện dẫn điện hồn hảo như trong hình 8 hoặc từ mật độ dòng điện với điều kiện dẫn từ hồn hảo như trong hình 1.9. Một cơng thức đã được chứng minh dựa trên các điều kiện bờ như sau:

<i>trong đó ˆn là đơn vị véctơ chuẩn hóa bề mặt, E và H lần lượt là các thành phần điện trường </i>

và từ trường tiếp tuyến bên trong một anten vi dải.

</div>