Nghiên cứu thiết kế anten vi dải sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến | Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp
Dưới đây là đề cương cho môn học "Nghiên cứu Thiết kế Anten Vi Dải Sử Dụng Trong Hệ Thống Thông Tin Vô Tuyến" tại Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp. Đề cương này sẽ giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết trong lĩnh vực thiết kế anten. Định nghĩa và vai trò của anten trong hệ thống thông tin vô tuyến. Phân loại anten và ứng dụng của từng loại.
Môn: Điện tử viễn thông (KTKTCN) 1 tài liệu
Trường: Đại học Kinh tế kỹ thuật công nghiệp 1 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 2 DANH M C Ụ T V Ừ I T Ế T T Ắ Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt CST Computer simulation technology Phần mềm mô ph ng ỏ c ng ô nghệ trên máy tính GSM
Global system for mobile communication Hệ thống th ng ô tin di đ ng ộ toàn cầu GPS Global positioning system Hệ th ng ố đ nh v ị t ị oàn cầu MPA Microstrip patch antenna Anten b c ứ x vi ạ d i ả CPW Coplanar waveguide ng d ố ẫn s ng ó đ ng ph ồ ẳng GND Ground Đ t ấ MTA
Microstrip traveling – wave antenna Anten vi dải s ng ch ó ạy TM Transverse magnetic T t ừ r ng ngang ườ BW Bandwidth Băng th ng ô DGS Defected ground structure Cấu tr c ú mặt đấu khuyết thi u ế HPBW Half power beam width Độ rộng b p s ú ng n ó a ử c ng su ô t ấ WLAN Wireless local area network Mạng c c ụ b kh ộ ng d ô ây GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài L I Ờ M Ở ĐẦU Cho đ n ế th i ờ i đ m ể hi n ệ t i ạ kh ng
ô thể phủ nhận vai trò quan tr ng ọ c a ủ truy n ề th ng ô vô tuy n ế và các thi t ế bị liên quan, nó g n
ắ liền với cuộc sống hàng ngày và phủ s ng ó kh p ắ toàn cầu, nh ng ữ năm gần đây sự b ng ù nổ c a ủ nhu cầu thông tin v t ô uyến đã th c ú đ y s ẩ ph ử át triển c a ủ c ng ngh ô ệ truy n t ề h ng ô v t ô uy n, ế cùng v i ớ sự phát tri n
ể đó thì anten - thành phần kh ng
ô thể thiếu trong bất kì hệ th ng ố viễn th ng ô nào cũng kh ng ô ng ng
ừ được quan tâm nghiên cứu phát tri n ể để phù h p v
ợ ới các thiết bị th ng t ô in v t ô uyến hi n ệ đ i ạ . Những nghiên c u
ứ về anten mang ý nghĩa hiệu quả truyền th ng ô vô tuyến
được quan tâm nhất đầu tiên phải kể đến là anten vi dải . Nhờ các ưu điểm nối b t ậ nh :
ư có kích thước mỏng, nhỏ g n, ọ trọng l ng ượ nh ,
ẹ dễ dàng sản xuất, dễ ph i ố h p
ợ trở kháng và dễ tích h p ợ các c u ấ tr c
ú trên bề mặt, mà anten vi dải đã được l a
ự chọn làm anten trong các hệ th ng
ố thông tin vô tuyến nh : ư Đi n ệ thoại di đ ng c ộ ầm tay, các k t ỹ huật lư ng ờ t xa
ừ , các mạng wifi... Tuy nhiên anten vi dải l i ạ có hạn chế l n ớ về m t ặ băng th ng, ô băng th ng ô rất h p ẹ trong khi r t ấ nhi u ề ng ứ dụng hiện nay i đò h i ỏ anten ph i ả có kích th c ướ nh , ỏ băng th ng ô r ng ộ và đồng thời l i ạ c kh ó
ả năng hoạt động tại nhiều dải tần khác nhau. V i ớ nh ng ữ yêu c u ầ thực tế trên, em l a ự ch n
ọ đề tài ‘’Nghiên cứu thi t ế kế anten vi d i
ả sử dụng trong hệ th ng ố th ng
ô tin vô tuyến’’ làm đồ án t t ố nghiệp
mình, đồ án sử dụng phần m m
ề CST để thiết kế và mô phỏng anten. N i ộ dung
của báo cáo đồ án được chia làm ba ch ng: ươ Chương 1: Sơ lư c ợ v a ề nten vi dải
Chương 2: Phân tích phương pháp tính tính toán, thiết kế anten vi dải băng r ng ộ Chương 3: Thi t ế k , ế mô phỏng anten vi d i ả băng r ng ộ bằng phần mềm CST Do một vài y u ế t
ố khách quan và chủ quan nên b n ả báo cáo v n ẫ c n t ò ồn tại nhi u ề hạn ch . ế Em rất mong đ c ượ sự ng đó g p ó ý kiến c a ủ các thầy cô c ng ũ như các b n ạ đ b ể ài báo cáo c a ủ em đ c ượ hoàn thiện h n ơ nữa. Hà n i
ộ , ngày 20 tháng 12 năm 2018
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 7 L I Ờ C M Ả N Ơ Trước tiên, em mu n ố đ c
ượ bày tỏ sự biết ơn sâu sắc t i ớ giáo viên hướng d n ẫ c a
ủ em là cô Hoàng Thị Ph ng
ươ Thảo – giảng viên Tr ng ườ Đ i ạ học Điện L c ự đã tận tình h ng ướ d n
ẫ em trong suốt quá trình th c
ự hiện đồ án tốt nghiệp này. Em xin bày tỏ l i ờ c m ả n
ơ chân thành và sâu sắc tới các th y ầ cô giáo trong
và ngoài trường Đại h c ọ Đi n ệ L c
ự đã giảng dạy em trong 4,5 năm qua, nh ng ữ ki n ế thức và kinh nghi m
ệ quý báu mà thầy cô đã truyền đạt cho em trên giảng đ ng ườ đại h c ọ là nền t ng
ả giúp em hoàn thành bài báo cáo này và là hành trang vững ch c ắ cho em trong b c ướ đ ng t ườ ương lai. Em xin trân tr ng ọ c m
ả ơn các thầy, cô giáo trong khoa Đi n ệ tử viễn thông đã t n t ậ ình giúp đ v ỡ à tạ đ o iều ki n
ệ giúp em hoàn thành đồ án của mình. Trong quá trình th c ự t p ậ khó có thể tránh kh i ỏ những sai s t ó , em rất mong nh n ậ đ c ượ sự g p ó c ý ủa thầy c c ô ng nh ũ ư của các b n. ạ Em xin chân thành c m ả ơn. GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 8 CH N ƯƠ G 1: S L Ơ C ƯỢ V A Ề NTEN VI D I Ả 1. Gi i ớ thi u ệ anten vi d i
ả (Microstrip Antenna) Các khái niệm đ u
ầ tiên về anten vi dải được kh i ở xướng bởi Deschamps
vào năm 1953 và Gutton và Baisinot vào năm 1955. Nh ng ư ph i ả 20 năm sau, m t ộ anten ng d ứ ng k ụ ỹ thu t ậ vi dải m i ớ được ch ế t o. ạ Anten vi d i ả đ n ơ giản cấu tạo g m ồ : m t ộ Radiating Patch (m t ặ b c ứ x ) ạ r t ấ m ng
ỏ với bề dày t<< : b c ướ s ng ó kh ng ô gian tự do n m
ằ trên Dielectirc Substrate (l p ớ chất nền i đ n ệ m i ô ) có <=10 , phía đ i ố diện v i
ớ patch là Ground Plane (mặt ph ng ẳ đ t ấ ). Patch là v t ậ d n ẫ i đ n,
ệ thường là đồng hay vàng, có thể có hình dạng b t ấ kỳ. Hinh 1 . Anten vi dải v h à t ệ r c ụ tọa độ Anten vi d i ả được đ c ặ tả bởi nhiều th ng
ô số hơn các anten truyền th ng ố khác. Ch ng ú đ c ượ thi t ế k ế dưới nhiều d ng h ạ
ình học khác nhau như: hình vu ng, ô hình ch nh ữ t ậ , hình tr n, t ò
am giác, bán cầu, hình qu t ạ , hình vành khuyên. Hinh 1 . C c
á dạng anten vi dải th ng d ô ụng M t
ộ số ứng dụng của anten vi d i ả : GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 9 - Các anten d ng t ù rong th ng t ô in v t ô uy n. ế - Các radar o ph đ n x ả ạ th ng d ườ ng c ù ác dãy anten vi d i ả phát xạ. - H t ệ h ng t ố h ng t ô in hàng kh ng v ô à vệ tinh d ng anten vi d ù i ả để định vị. - Vũ khí th ng m ô inh . - S d ử ng cho G ụ SM hay GPS. 2. Ưu đi m ể v h
à ạn chế của anten vi d i ả Anten vi d i ả có nhiều u ư i đ ểm so v i ớ các anten vi s ng ó th ng ô thường và các ng d ứ ng c ụ a ủ n t ó r i
ả khắp dải tần số 100MHz-100GHz. Anten vi d i ả c c ó ác u ư i đ m ể [3]: - Tr ng l ọ ng nh ượ , ẹ kích th c ướ nhỏ, b ề dày m ng. ỏ - Chí phí ch t ế ạo th p, d ấ d ễ àng để s n ả xuất hàng loạt. -
Phân cực tuyến tính và phân c c ự tr n ò v i ớ ph ng ươ pháp tiếp i đ n ệ đ n ơ gi n. ả - Anten ho t ạ động nhi ở ều t n ầ s
ố kép và anten phân cực kép có thể thực hi n d ệ ễ dàng. - Có th d ể d
ễ àng được tích hợp với các m c ạ h tích h p vi ợ sóng. - Các đ ng ườ tiếp i đ ện và các linh ki n
ệ phối hợp trở kháng có thể đ c ượ cùng thi t ế k t
ế rên một cấu trúc anten. - Linh đ ng gi ộ a ữ phân cực tr n v ò à phân cực th ng. ẳ - Tương thích v i ớ các thi t ế bị di đ ng. ộ Nhược i đ m ể c a ủ anten vi dải [3] - Có băng th ng h ô p. ẹ - Đ l ộ i ợ thấp (th ng ườ nh h ỏ n ơ 10 dB). - Suy hao l n t ớ rong c u t ấ r c ú ti p ế i đ ện của các anten m ng. ả GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 10 - Đa số các anten vi d i ả chỉ b c ứ xạ trong n a ử kh ng ô gian phía trên m t ặ phẳng đất. - Kh n ả ăng tản nhi t ệ c a ủ anten vi d i ả kém. - Các bức xạ kh ng ô mong mu n ố ở đ ng ườ cấp ngu n ồ và các m i ố n i ố còn khá nhi u. ề - Kh ả năng i đ u khi ề n ể i đ n ệ áp thấp. - Độ l i ợ và hi u ệ su t
ấ giảm, mức độ phân c c ự chéo cao với anten m ng ả t ở n s ầ ố cao. - Xu t ấ hi n s ệ ng b ó ề m t ặ . 3. M t ộ số lo i ạ anten vi d i ả th n ô g d n ụ g 1. Anten patch vi d i ả Anten patch vi d i
ả (Microtrip patch antenna: MPA) bao g m ồ m t ộ patch d n ẫ đi n ệ d i ướ dạng ì
h nh học phẳng hay không phẳng trên m t ộ m t ặ c a ủ đế điện môi và m t
ặ phẳng đất nằm trên m t ặ phẳng c n l ò i ạ c a ủ đ . ế Hinh 1 . Anten patch vi d i ả
Các thiết kế anten patch chủ y u
ế tập trung vào đặc tính bức xạ của n , ó anten patch vi d i ả có nhiều d ng ạ khác nhau (vu ng, ô chữ nh t ậ , tr n,... ò ) nh ng ư đặc tính b c ứ xạ c a ủ ch ng ú hầu nh
ư giống nhau. Trong số các loại anten patch vi d i ả , anten có d ng ạ hình chữ nh t ậ và hình tr n ò là hai d ng ạ th ng ô dụng và được sử dụng r ng r ộ ãi [3]. GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 11 Hinh 1 . Một s h ố ình d ng t ạ h ng d ô ng ụ c a ant ủ en patch vi d i ả 2. Anten khe m c ạ h in
Anten khe mạch in (Printed slot antenna) có cấu t o ạ gồm m t ộ khe trong m t ặ phẳng đ t ấ của m t ộ đế đ c
ượ nối đất, khe này có nhiều hình d ng ạ khác nhau:
hình chữ nhật, hình tr n,... ò Anten này có thể đ c ượ tiếp i đ ện b ng ằ s ng ó dẫn phẳng hay đ ng ườ truy n ề vi d i ả , b c ứ xạ theo hai hư ng
ớ hay trên cả hai mặt của khe [3]. Hinh 1 . C c
á hình dạng anten khe m c ạ h in
3. Anten vi dải lưỡng c c ự Anten vi d i ả l ng ưỡ c c ự có hình d ng ạ gi ng
ố với anten patch hình chữ nhật
những khác nhau ở tỉ số L/W. Chiều r ng ộ c a ủ anten l ng ưỡ c c ự so v i ớ anten patch th ng ườ bé h n 0.05 l ơ n b ầ c ướ s ng t ó rong kh ng gi ô an tự do. GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 12 Đồ th ịb c
ứ xạ của anten vi dải l ng ưỡ c c ự và anten patch vi d i ả gi ng ố nhau nhưng có các đ c ặ tính khác nhau nh : ư i đ ện trở b c ứ xạ, băng th ng ô và bức xạ phân c c ự chéo. Anten vi dải lư ng c ỡ ực thích hợp v i
ớ các ứng dụng tần số cao do ch ng s ú ử dụng mi ng ế đế i đ ện m i
ô có bề dày tương đối nên đạt được băng th ng ô đáng kể [3]. Hinh 1 . Anten vi d i ả l ng c ưỡ c ự 4. Anten vi d i ả s ng ch ó ạy Anten vi d i ả s ng ó
chạy (Microtrip traveling-Wave antenna: MTA) g m ồ các d i ả dẫn i đ n ệ tu n ầ hoàn ho c ặ một đường vi d i
ả đủ dài và rộng để có thể hỗ trợ
chế độ truyền TE. Trong , đó đ u
ầ của anten được nối đ t ấ và đ u ầ c n ò lại được m c ắ t i ả có i đ n t
ệ rở được phối hợp trở kháng đ t
ể ránh hiện tượng s ng ó đứng trên anten [3]. Hinh 1
. Anten vi dải s ng ch ó y ạ GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 13 4. Các k t ỹ hu t ậ ti p
ế điện cho anten vi d i ả Hi n
ệ nay, các phương pháp ph ổ bi n ế d ng ù để c p ấ nguồn cho anten vi d i ả là: c p ấ nguồn s ử d ng ụ đ ng ườ truy n ề vi dải, probe đ ng
ồ trục, ghép khe (aperture- coupling),ghép g n ( ầ proximiti-coupling). 1.4.1 Ti p ế i đ n s ệ d ử ng ụ đường truy n v ề i dải Phương pháp ti p ế i
đ ện bằng đường truyền vi d i
ả được sử dụng nhiều nh t ấ trong m i ô trường truy n
ề dẫn là các mạch tích h p
ợ siêu cao tần. Đường truy n ề vi dải là c u ấ tr c ú mạch in c p ấ cao, bao g m ồ m t ộ d i ả d n ẫ i đ ện bằng đ ng ồ ho c
ặ kim loại khác trên một ch t ấ n n ề cách i đ ện, mặt kia c a ủ t m ấ i đ ện m i ô cũng đ c ượ phủ đ ng ồ gọi là mặt ph ng ẳ đất. M t ặ ph ng
ẳ đất là mặt phản xạ do đó đ ng t ườ ruy n ề vi d i ả có thể đ c
ượ xem là đường truy n g ề ồm hai dây dẫn.
Có hai tham số chính là độ r ng ộ d i ả dẫn i đ ện W và chi u ề cao tấm điện môi h. M t ộ tham số quan tr ng ọ khác là hằng số i đ n ệ m i ô tương đ i ố của ch t ấ n n. ề Hai tham số i đô khi có thể đ c
ượ bỏ qua là độ dày dải dẫn i đ ện t và điện d n s ẫ uất sigma. Hinh 1 . Ti p ế i đ n ệ d ng ù đ ng t ườ ruy n v ề i dải 1.4.2 Ti p ế i đ ện b ng probe ằ đ ng t ồ r c ụ GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 14 C p
ấ nguồn qua probe là một trong những phư ng
ơ pháp cơ bản nhất để truyền t i ả c ng ô su t ấ cao t n.
ầ Phương pháp này, phần l i õ c a ủ đ u ầ feed được nối v i ớ patch, ph n ầ ngoài n i ố với m t ặ ph ng ẳ đất của anten vi dải. u Ư đi m ể : - Đ n gi ơ n t
ả rong quá trình thiết k . ế - Có khả năng feed t i ạ m i
ọ vị trí trên tấm patch do đó dễ ph i ố h p ợ tr kh ở áng. Nhược điểm: - Vì d ng
ù đầu feed hàn vào patch nên có phần dư ra phía ngoài làm anten kh ng ho ô àn toàn ph ng v ẳ à mất tính đối xứng. - Khi c n ầ cấp nguồn trong thi t ế kế m ng ả sẽ i
đò hỏi số lượng đầu n i ố tăng lên gây kh kh ó ăn cho vi c ệ thiết k v ế à gi m ả đ t ộ in cậy. - Khi c n t ầ ăng băng thông c a ủ anten i đò h i ỏ phải tăng b ề dày lớp n n ề d n ẫ đ n ế bức xạ rò và i đ n ệ cảm c a
ủ probe tăng lên và tăng chi u ề dài lõi cáp. Hinh 1 . Tiếp i đ n d ệ ng c ù p á đ ng t ồ r c ụ 1.4.3 Ti p ế i đ ện b ng ph ằ ng ph ươ p gh á
ép khe (Aperture Coupling) Phương pháp này c ng ũ thường đ c ượ sử dụng nhằm lo i ạ bỏ b c ứ xạ không
cần thiết của đường vi dải. Cấu tr c ú gồm hai l p ớ i đ ện m i ô , patch được đ t ặ trên cùng, m t ặ phẳng đ t ấ
ở giữa có một khe hở nh , ỏ khe ghép lu n ô đặt dưới và chính giữa bản kim lo i ạ nhằm giảm phân c c
ự chéo do tính đối xứng, đ ng ườ ti p ế điện l ở p ớ i đ ện m i ô dưới. Hinh 1 . Tiếp i đ n d ệ ng ph ù ng ph ươ p gh á ép khe GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 15 u Ư i đ m ể : th ng ô th ng ườ l p ớ i đ ện m i ô trên có hằng số i đ ện m i ô th p ấ h n ơ l p ớ i đ ện m i ô d i ướ nên h n c ạ hế bức xạ kh ng m ô ong mu n. ố Nhược i đ m
ể : phương pháp khó thực hiện do ph i ả làm nhi u ề l p, ớ làm tăng đ d ộ ày của anten. Ph ng ph ươ áp sử dụng cho băng h p. ẹ 1.4.4 Tiếp i đ n b ệ ng ph ằ ng ph ươ p gh á
ép gần (Proximity Coupling) B n ả ch t ấ c a ủ ph ng ươ pháp là ghép i đ ện dung gi a
ữ đường cấp nguồn và patch. C u ấ tr c ú này gồm hai l p ớ i đ ện m i ô , đ ng ườ patch nằm ở mi ng ế i đ ện môi trên đường tiếp i đ ện gi ở ữa hai l p ớ i đ ện m i ô . Hinh 1 . Tiếp i đ n b ệ ằng ph ng ươ ph p gh á ép gần u Ư đi m ể : - Loại bỏ bức x kh ạ ng m ô ong muốn trên đ ng t ườ iếp điện. - Cho băng th ng r ô ng ( ộ khoảng 13%). Nhược điểm: - Khó khăn trong việc thi t ế k v ế à thi c ng ô vì đư ng ờ tiếp i đ ện nằm trong hai l p ớ i đ ện m i ô và làm anten c c ó hi u d ề ày h n. ơ 5. Anten patch hình ch n ữ h t ậ Anten patch hình chữ nh t ậ là m t ộ anten ph ng
ẳ cơ bản nhất, nó bao gồm m t ộ phiến dẫn i
đ ện bằng phẳng bên trên một mặt phẳng đất. Có nhiều phương pháp ti p ế i đ n c ệ ho anten, nh ng t ư h ng ô th ng ườ tiếp i đ n b
ệ ằng cáp đồng trục hoặc đ ng
ườ truyền vi dải. Phần ti p
ế điện đưa năng lượng điện tử vào hoặc ra kh i ỏ patch. GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 16 (a) (b) (c) Hinh 1
. Anten patch hình ch nh ữ t ậ (a) Phân b t ố r ng ườ ở mode c b ơ n ả (b) Phân b d ố ng t ò rên b m ề t ặ patch (c) Phân b ố i đ n ệ áp (U), d ng ( ò I) và tr kh ở áng (Z) theo chi u ề dài patch Hình 12. a, i đ n ệ trường bằng kh ng
ô ở tâm patch, đạt cực đại (d ng) ươ ở m t
ộ cạnh và đạt cực tiểu (âm) ở cạnh đ i
ố diện. Tuy nhiên sự bi n ế đổi giữa cực đại và cực ti u ể x y ả ra liên tục do pha t c ứ thời c a ủ tín hiệu đ t ặ vào anten. Điện trường mở r ng ộ ra cả bên ngoài m t ặ phân giới i đ ện m i ô - kh ng ô khí. Thành phần đi n ệ trường m ở r ng
ộ này được gọi là trường viền (fringing field) và nó làm cho patch b c ứ x . ạ M t ộ số ph ng
ươ pháp phân tích anten vi dải phổ bi n ế d a ự trên khái ni m ệ h c ố cộng h ng ưở r . ò Do ,
đó mode cơ bản khi sử d ng ụ lý thuyết h c ó cộng hưởng là mode TM10. Kí hiệu này thư ng ờ gây ra nh m ầ l n. ẫ TM t ng
ượ trung cho phân bố từ
trường ngang, có 3 thành phần, đó là: i đ ện tr ng ườ theo h ng ướ z, từ tr ng ườ theo GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 17
hướng x và y trong hệ t a
ọ độ Đề các, trục x và y song song v i ớ m t ặ phẳng đất, trục z vu ng ô g c ó với mặt ph ng
ẳ đất. Giá trị z hầu như bị bỏ qua do sự bi n ế đổi của i đ ện trường theo tr c ụ z coi như kh ng
ô đáng kể. Do đó, kí hi u ệ TM ỉ ự nm ch s bi n ế đ i ổ c a ủ tr ng
ườ theo hướng x và y, sự bi n ế đổi của tr ng ườ theo hướng y
không đáng kể nên m=0, tr ng
ườ biến đổi chủ yếu theo h ng ướ x nên ở mode cơ b n n= ả 1. Hình 12- b,c thể hi n ệ sự biến đ i ổ d ng ò (từ trư ng) ờ và i đ n ệ áp (điện trường) trên patch, d ng ò đ t ạ cực đ i ạ tại tâm patch và c c ự ti u ể gần các cạnh trái và ph i ả , trong khi i đ n ệ tr ng ườ b ng
ằ 0 tại tâm patch và đạt c c ự đ i ạ g n ầ cạnh trái, c c ự ti u ể g n ầ cạnh ph i
ả . Từ biên độ của d ng ò áp ta có thể tìm đ c ượ trở kháng. Trở kháng đ t
ạ cực tieru ở giữa patch và c c
ự đại ở gần hai cạnh. Có m t ộ điểm n m ằ ở v t ị rí dọc theo tr c ụ x t i ạ đó tr kh
ở áng là 50 Ohm ta có thể đặt tiếp i đ ện tại đó. 6. Nguyên lý b c ứ x an ạ ten vi d i ả Lựa ch n ọ đế i đ n ệ m i
ô sử dụng có bề mặt mỏng và hệ số i đ ện m i ô tương đối cao giúp b c ứ xạ anten vi d i ả t t ố h n ơ v i ớ hi u ệ su t ấ b c ứ xạ cao h n. ơ Vì thế, trong m t ộ anten vi dải, ng i ườ ta sử d ng ụ các nền i đ ện m i ô có hệ số từ thẩm th p. ấ B c ứ xạ anten vi d i
ả có thể được xác định từ phân bố trường gi a ữ patch và m t
ặ phẳng đất hay dưới d ng ph ạ ân bố d ng ò i đ n m ệ
ặt trên bề mặt của patch. Xem anten vi dải như m t ộ m ng ả g m ồ hai khe b c ứ xạ h p, ẹ m i ỗ khe có chi u ề r ng
ộ W, chiều cao h và cách nhau một kho ng ả L, tr ng ườ b c ứ xạ anten vi d i
ả chính là tổng trường bức xạ t ha ừ i ph n ầ tử m ng, t ả rong m đó ỗi phần tử biểu di n
ễ cho một khe. Khi hai khe gi ng
ố nhau ta có thể tính trường tổng c ng ộ bằng cách d ng h ù s ệ m ố ảng cho hai khe. Trường i đ n ệ v ng ù xa bức xạ b i ở m i
ỗ khe được tính theo mật độ dòng t ng ươ đương như sau: (1-1) GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 18 (1-2) (1-3) V i ớ (1-4) Khi chiều cao r t ấ nhỏ (k ô ứ ê đượ ú ọ ò 0h <<1), c ng th c tr n c r t g n c n: (1-5) Trong đó V à đ ệ á 0 = hE0 l i n p qua khe.
Hệ số mảng cho hai thành phần c ng ù
biên độ và pha lệch nhau một kho ng c ả ách L ọ ướ à e d c theo h ng y l : (1-6) Với L à ề à ệ ụ đó ổ ườ đ ệ ũ ư e l chi u d i hi u d ng. Khi t ng tr
ng i n cho hai khe (c ng nh cho anten vi dải) là : (1-7) V i ớ Khi (k ì ô ứ ê ở à 0h << 1) th c ng th c tr n tr th nh: (1-8) E - plane ) GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 19 Đ i ố v i ớ anten vi d i ả , mặt ph ng
ẳ x-y () là mặt phẳng I chính và trong m t ặ ph ng n ẳ ày tr ng b ườ c ứ xạ ở c ng t ô hức trên trở thành: (1-9) H - plane M t ặ ph ng ẳ H chính c a ủ anten vi d i
ả là mặt phẳng x-z ( ) và trong mặt ph ng n ẳ ày tr ng b ườ c
ứ xạ ở (1.35) trở thành : (1-10) 7. Các m h
ô ình phân tích anten vi d i ả 1.7.1 Mô hình đ ng t ườ
ruyền (Transmission line) Anten vi dải hình ch nh ữ t ậ c h ó ình dạng v t ậ l b ý ắt ngu n ồ từ đường truyền vi d i
ả , những anten loại này có thể đư c
ợ mô hình như một phần c a ủ đường truy n ề s ng. ó
Mô hình đường truyền s ng ó là một trong nh ng ữ mô hình trực quan nh t
ấ trong phân tích anten vi d i
ả và nó tương đối chính xác với l p ớ i đ n ệ môi mỏng. Mô hình đ ng ườ truyền s ng ó r t
ấ đơn giản và hữu ích trong việc xem xét ho t ạ đ ng
ộ cơ bản của anten vi d i
ả . Mô hình này xem anten vi dải như m t ộ mảng g m ồ hai khe b c ứ xạ h p, m ẹ i ỗ khe c c ó hi u r
ề ộng W, chiều cao h và cách nhau m t ộ kho ng L ả [2]. Hi u ệ ng vi ứ n ề Tr ng ườ tại gờ c a ủ patch bị vi n
ề do kích thước của patch bị giới h n ạ b i ở chi u ề dài và chi u ề r ng, ộ vi n
ề là một hàm theo kích th c ướ của patch, chi u ề cao của lớp i đ n ệ m i ô và hằng số i đ ện m i ô . Hiệu ng ứ viền ảnh hư ng ở đáng kể đến t n s ầ ố c ng h ộ ng c ưở a ủ anten. Hầu hết các đư ng ờ s c ứ i đ n ệ trường ở trong l p ớ nền và phần của m t ộ số đ ng n ườ m ằ ngo ở ài khô í
ng kh . Khi L/h>>1, >>1, nh ng ữ đường sức i đ ện tập trung GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 20 đa phần trong l p ớ nền đi n
ệ môi. Hằng số điện môi hiệu d ng ụ d c ượ sử d ng ụ để hi u c ệ h nh c ỉ ác ảnh h ng ưở của hi u ệ ng vi ứ n ề đ i ố v i ớ s ng t ó rên đường truyền. Giả sử tâm dẫn của đ ng
ườ truyền vi dải với kích th c ướ và chiều cao trên m t ặ ph ng ẳ đất ban đ u
ầ của nó được đưa vào m t ộ l p ớ i đ ện m i ô đồng nhất. Hằng s ố i đ n ệ m i ô hiệu d ng ụ là hàm c a ủ tần s , ố khi tần s ố ho t
ạ động tăng, hầu hết các đ ng
ườ sức điện trường tập trung trong l p ớ nền đi n ệ môi. Vì v y ậ đ ng ườ truyền vi dải g n ầ gi ng ố với đ ng ườ truy n ề đặt trong i đ ện m i
ô đồng nhất có hằng số đi n m ệ ôi hiệu dụng ti n t
ế ới giá trị hằng số đ iện môi nền. Ở tần số thấp, h ng ằ số i đ ện m i ô hiệu d ng
ụ là ε cơ bản, tần số tăng thì h ng s ằ ố i đ n m ệ i
ô hiệu dụng càng tiến t i ớ giá trị h ng s ằ ố i đ ện m i ô của chất nền. H ng s ằ ố i đ n m ệ i
ô hiệu dụng được tính theo c ng t ô hức sau: (1-11) Chiều dài hiệu d ng, ụ tần số cộng h ng v ưở à chiều r ng hi ộ ệu d ng ụ
Trong mặt phẳng Oxy do hi u ệ ng ứ vi n, ề kích th c ướ patch c a ủ anten vi d i ả về mặt i
đ ện lớn hơn so với kích th c ướ vật l . ý Do đó chiều dài i đ ện của patch vượt so với chi u ề dài vật lý m t ộ kho ng ả L về m i ỗ phía và đ c ượ tính theo công th c ứ : (1-12) Khi đó, chiều dài c a ủ patch l c ú này s l ẽ à: Hinh 1 . Chiều d i à t m
ấ patch được mở rộng v hai ề phía GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 21 Giả s , ử mode u ư thế là TM ầ ố ộ ưở ủ ả à à 010 t n s c ng h ng c a anten vi d i l h m c a ủ chi u d ề ài: (1-13) Với là v n ậ t c ố ánh sáng trong kh ng gi ô an t ự do. Do hiệu ng vi ứ n, ề nên c ng ô th c ứ đ c ượ thay thế bằng: (1-14)
Hệ số q là hệ số suy gi m ả chi u
ề dài. Khi độ dày lớp nền i đ n ệ m i ô tăng, hi u ệ ng ứ vi n ề tăng dẫn đ n ế sự khác bi t ệ gi a ữ nh ng ữ b c
ứ xạ rìa và các tần số c ng h ộ ng t ưở h p h ấ n. ơ Đi n d ệ ẫn Anten g m ồ hai khe b c ứ x , ạ m i
ỗ khe được diễn tả bởi một dẫn nạp Y (v i ớ đi n d ệ ẫn G và đ
iện nạp B),trong đó cho m t ộ khe v i ớ bề rộng hữu h n: ạ Y (1-15) 1= G1 +jB1 (1-16) (1-17) Hai khe đ c
ượ xem như đồng nhất, dẫn Gạp t ng ươ đương c a ủ n s ó ẽ là: Y2 = Y1; G2 = G1; B2 = B1 Đi n ệ d n ẫ c a ủ khe đơn có đ c ượ b ng ằ cách â ph n tích tr ng ườ theo mô ì h nh h c ố cộng h ng. ưở (1-18) V i ớ là công su t ấ b c ứ x : ạ GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 22 (1-19) Do , đó điện d n G ẫ c t
ó hể được biểu diễn lại: (1-20) Tr kh
ở áng vào tại tần số cộng h ng ưở Do hi u ệ ng vi ứ n kho ề ng c ả ách hai khe <, d n n ẫ p c ạ a ủ khe 2 là: (1-21) Dẫn n p v
ạ à trở kháng vào tại cộng h ng l ưở à: (1-22) (1-23) Trong th c ự tế, hai khe có sự nh ả hưởng qua l i ạ l n ẫ nhau bi u ể di n ễ bởi i đ ện dẫn tương h do ỗ đó: (1-24) V i ớ d u “ ấ +” t ng ươ ng v ứ i
ớ các mode lẻ, Với dấu “-” t ng ươ ng v ứ i ớ các mode ch n. ẵ (1-25) Hàm là hàm Bessel lo i ạ 1 b c ậ kh ng. ô Hình bi u ể di n ễ thay đ i ổ vị trí i
đ ểm feed và trở kháng chuẩn h a ó ngõ vào khi i đ m ể feed d c ị h chuy n ể theo tr c ụ y d c ọ theo đ ng t ườ ruyền: GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 23 Hinh 1 . Thay đ i ổ v t ị rí i đ m ể feed để c t ó rở kh ng v á o ph à h ù ợp V i ớ đ ng f ườ eed vi dải c t ó rở kháng đ c ặ tính (1-26) là chi u ề r ng ộ đ ng
ườ feed, ngõ vào ứng v i ớ vị trí chèn t ng ươ ng ứ được cho bởi công th c ứ : (1-27) V i ớ là dẫn n p ạ đ c ặ tính c a ủ đ ng ườ feed. Hầu h t ế các đ ng ườ feed vi d i
ả có << 1 và<< 1 nên: (1-28) Th ng
ườ phối hợp trở kháng v i ớ i
đ ện trở 50 Ohm nên độ dài inset feed là: (1-29) 1.7.2
Mô hình hốc cộng h ng ưở Khi mi ng ế patch đư c ợ tiếp i đ ện, i đ n ệ tích phân bố đ c ượ thiết lập ở mặt trên và m t
ặ dưới của patch c ng nh ũ t ư rên bề mặt của m t ặ phẳng đất. Hinh 1 . Ph n b â ố i đ n t ệ ích v d à ng ò i
đ ện trong anten vi d i ả hình ch nh ữ ật. GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ 24 Sự phân bổ i đ n ệ tích đ c ượ i đ u ề khi n ể bởi hai cơ chế h t ú và đ y. ẩ Cơ chế hút là các i đ n ệ tích trái d u ấ d i ướ c ng ù c a
ủ miếng patch và mặt phẳng đất có xu
hướng giữ nguyên mật độ i
đ ện tích. Cơ chế đẩy là giữa các i đ n ệ tích trên mặt đấy c a ủ miếng patch đẩy m t
ộ số điện tích từ dưới cùng của patch, xung quanh các c nh ạ lên mặt trên c a ủ t m ấ patch. Sự d c
ị h chuyển này tạo ra các mật độ d ng ò t ng ươ ng l ứ
à Jb và Jt tại mặt dưới và mặt trên của patch. Thực tế, anten vi d i
ả có tỉ số h/W rất nhỏ nên cơ chế h t ú trội hơn và h u ầ hết i đ ện tích t p ậ trung ở m t ặ dưới mi ng ế patch. M t ộ l ng ượ nh d ỏ ng ò chảy xung quanh các c nh ạ của patch v i ớ bề mặt trên c ng
ù của nó, dòng chảy gi m ả khi tỉ lệ
h/W giảm, lý tưởng khi d ng ò này b ng 0 ằ và s kh ẽ ng ô tạo ra từ trường ti p ế tuy n ế
với cạnh của patch, cho phép 4 c nh b ạ ên được m h ô ình h a
ó thành các bề mặt dẫn t ho ừ àn h o. ả Do độ dày c a ủ vi d i ả rất mỏng, các s ng ó đ c ượ tạo ra bên trong c a ủ l p ớ n n ề i đ n ệ m i ô bị ph n ả x ạ m nh ạ khi đến c nh ạ c a
ủ patch, chỉ có sốt ít năng lượng t i ớ đ c ượ b c ứ xạ, hi u ệ quả anten th p. ấ Vì độ dày c a ủ l p ớ nền r t ấ nh , ỏ có thể xem tr ng ườ d c ọ theo chiều cao là kh ng ô đ i ổ , tr ng ườ
dò dọc theo cạnh patch cũng r t ấ nh , ỏ do đó i đ n ệ trường E g n ầ như vu ng ô g c ó v i
ớ bề mặt tấm patch. Chỉ có trường TM (từ ngang) đ c
ượ xét bên trong hốc, m t
ặ trên và đáy là dẫn i đ ện hoàn h o, 4 c ả ạnh tư ng
ờ xung quanh xem như các t ng d ườ n t ẫ ho ừ àn hảo [2]. Hinh 1 . M h ô ình hốc c ng h ộ ưởng GVHD: Ts. Hoàng Th P
ị hương Thảo SVTH: Lê Th H ị oài