I: 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. 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 dảiMột 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 AntennaPrinted 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.

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.

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.

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?

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.

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

4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của anten

- Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten.

Anten luôn làm việc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất

bức xạ của anten là lớn nhất.

- Trở kháng vào của anten : ZA = RA + jXA

Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp

trở kháng,Thông thường trở kháng đặc tính của feeder là R0

để phố hợp trở kháng thì ZA = R0

- Hệ số tổn hao RL (dB) đánh giá mức độ phản xạ của sóng

tại điểm kết nối anten với feeder

- D (hệ số tính hương): Là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện bức xạ công suất của bức xạ của hai anten như nhau

D (θ , φ )= S(θ , φ)S0

- G (hệ số tăng ích): hệ số khuếch đại của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất của bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không đổi , với điều kiện công suất đưa vào của hai anten là như nhau và anten chuẩn( anten vô hướng ) có hiệu suất bằng 1.

G (θ ,φ )=ηA

S(θ ,φ)S0

- Đồ thị tính hương của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định ( tính từ anten)

- Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern):ược dùng để biểu diễn đặc tính bức xạ của anten.Là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong hệ trục tọa độ trong không gian.Thông thường đồ thị bức xạ biểu diễn trường vùng xa của các đại lượng như:Mật độ bức xạ.Cường độ bức xạ.Cường độ trường.Hệ số định hướng

II: Thiết kế

Ta đặt ra bài toán thiết kế như sau :

Thiết kế 1 Microstrip Patch antenna hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu microstrip line có đường dây dẫn vào. Miếng patch hình chữ nhật được chọn vì cấu trúc đơn giản và dễ thiết kế. Anten đặt trên tần số 1.575. tần sồ GNSS. Anten được đặt trên lớp điện môi. Những thông số này sẽ được thể hiện rõ ràng qua bảng 3.1 sau:

Bảng 2.1: Các thông số anten thiết kế

Tần số hoạt động 1.575 GHzHằng số điện môi của lớp điện môi ( r) 4.4 (FR4)

Độ dày lớp điện môi (H) 0.8 mmPhương thức cấp nguồn Microstrip line

Sự phân cực ThẳngĐộ dày của feed 10um

Dựa vào một số công thức ở ta tính được các thông số của anten vi dải như sau:

= 3 x 108

2 x 1.575 x 109 √ 24.4+2=58(mm)

Bảng 2.2: Cách thông số cua anten vi dải 1.575 GHz

Các thông số tính toán

Chiều rộng

patch(Wp)

Chiều dài

patch(Lp)

Chiều rộng tấm điện môi

(Wsub)

Chiều dài tấm điện môi

(Lsub)

Chiều dài Feed

(L)

Chiều rộng feed (W)

Độ dày tấm

patch

Kết quả

58 mm 44.7mm

100mm

100 mm

27.65mm

1.5mm

10um

III: MÔ PHỎNG

Cấu trúc 3 chiều của anten được thực hiện để mô phỏng

Hình 3.1:Cửa sô chương trình mô phỏng

Với W=58mm ,L=44.7mm,a=0mmS11 tại tần số cộng hưởng

Hình 3.2 – Đáp ứng tần số của thông số S11

1.47 -1.0397811.48 -1.1841211.49 -1.3722451.5 -1.3722451.51 -1.9683831.52 -2.4571951.53 -3.1756871.54 -4.2777161.55 -6.0589141.56 -9.1662891.57 -15.5265591.58 -21.7561001.59 -11.7150671.6 -7.4067271.61 -5.0891161.62 -3.7054161.63 -2.8279171.64 -2.2455271.65 -1.844100

Bảng 3.1: Thông số S11

Đồ thị bức xạ 3D:

Hình 3.3 – Đồ thị bức xạ 3D

Quá trình tối ưu tham số

Thay đổi các giá trị của a a=0mm;a=1mm;a=2mm;a=3mm;a=4mm;a=5mm;a=6mm;a=7mm;a=8mmS11 tại tần số cộng hưởng với các giá trị a khac nhau

Để tối ưu hóa tham số chon a=1mm

IV:TRÌNH BÀY KẾT QUẢ

Cách thông số cua anten vi dải 1.575 GHz

Các thông số tính toán

Chiều rộng

patch(Wp)

Chiều dài

patch(Lp)

Chiều rộng tấm điện môi

(Wsub)

Chiều dài tấm điện môi

(Lsub)

Chiều dài Feed (L)

Chiều rộng feed (W)

Độ dày tấm

patch

Vị trí cửa feed(a)

Kết quả

58 mm 44.7mm

100mm

100 mm

27.65mm

1.5mm

10um 1mm

1.47 -1.0245171.48 -1.1660521.49 -1.3502181.5 -1.5956991.51 -1.9320401.52 -2.4076431.53 -3.1050491.54 -4.1719421.55 -5.8909681.56 -8.8751571.57 -14.9202331.58 -23.1034981.59 -12.1620221.6 -7.6127671.61 -5.2011241.62 -3.7710891.63 -2.8683611.64 -2.2713641.65 -1.861057

Bảng 3.4: Thông số S11

Ta thấy S11 dưới -10dB trong khoảng tần số 1.562-1.595 GHz tần số cộn hưởng trung tâm là 1.58 GHz. Băng thông ở đây là 33 Mhz

Hệ số sóng đứng của patch antenna

Hệ số sóng đứng của anten < 2 trong khoảng tần số 1.562~1.595GHz, đạt yêu cầu về tiêu chuẩn thiết kế.

Hình 3.6 – Đồ thị bức xạ 3D

Hình 3.11 – Đồ thị smith biểu diễn phối hợp trở kháng