Mô phỏng anten PIFA cho thiết bị di động 3G.

TỔNG QUAN VỀ ANTEN

Giới thiệu chương

Chương mở đầu sẽ trình bày các nội dung cơ bản của anten bao gồm:

+ Một vài loại anten: anten dây, anten miệng, anten vi dải

+ Các tham số cơ bản của anten: băng thông, sự phân cực, trở kháng vào, mô hình bức xạ, hệ số định hướng, độ lợi.

Giới thiệu về anten

Anten là thiết bị quan trọng trong việc phát bức xạ sóng điện từ và nhận sóng vô tuyến Nó đóng vai trò như một cấu trúc chuyển tiếp giữa thiết bị dẫn sóng và không gian tự do, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin.

Hình 1.1: Mạch tương đương cho hệ thống anten phát [4]

+ Rr: điện trở bức xạ

Trở kháng anten: ZA= (RL + Rr) + jXA (1.1)

Mạch tương đương cho hệ thống anten phát bao gồm nguồn được đại diện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn với trở kháng đặc trưng Zc, và anten biểu diễn bởi tải ZA = (RL + Rr) + jXA Điện trở RL phản ánh sự mất mát do điện môi và vật dẫn, trong khi điện trở bức xạ Rr thể hiện sự bức xạ sóng điện từ Điện kháng XA là phần ảo của trở kháng anten Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng từ nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới Rr, nhưng trong thực tế, luôn có mất mát do điện môi, vật dẫn và phản xạ do phối hợp trở kháng không hoàn hảo tại điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten.

Sóng phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và anten tạo ra sóng đứng, dẫn đến sự hình thành các nút và bụng sóng Nếu anten không được thiết kế chính xác, đường truyền có thể trở thành thành phần lưu giữ năng lượng thay vì truyền tải năng lượng Cường độ trường cực đại của sóng đứng có thể gây hại cho đường truyền dẫn Tổng mất mát năng lượng phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng Để giảm thiểu mất mát, cần chọn đường truyền có tổn thất thấp và tối ưu hóa thiết kế anten.

Để giảm thiểu sóng đứng và tối ưu hóa khả năng lưu giữ năng lượng trong đường truyền, cần điều chỉnh điện trở RL và phối hợp trở kháng giữa tải (anten) và trở kháng đặc trưng của đường truyền.

Mạch tương đương cho hệ thống anten thu tương tự như mạch tương đương cho hệ thống anten phát, trong đó bộ thu thay thế cho nguồn Tất cả các thành phần khác vẫn giữ nguyên Điện trở bức xạ Rr thể hiện khả năng thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten.

Một vài loại anten

Anten dây rất phổ biến và xuất hiện ở nhiều nơi như ô tô, tòa nhà, tàu và máy bay Chúng có nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm lưỡng cực (dipole), vòng tròn hoặc vuông (circular/square loop), và xoắn (helix) Anten vòng không chỉ có dạng tròn, mà còn có thể được thiết kế dưới dạng hình chữ nhật, hình vuông, hình elip hoặc bất kỳ cấu hình nào khác, với dạng tròn là phổ biến nhất do tính đơn giản trong việc lắp đặt.

Hình 1.2: Các cấu hình của anten dây [4]

Anten miệng ngày càng phổ biến nhờ vào nhu cầu cao cho các hình thức anten tinh vi và tần số cao Loại anten này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ, vì chúng dễ dàng gắn vào vỏ của các phương tiện này Đặc biệt, anten miệng có thể được bọc bằng vật liệu điện môi để bảo vệ khỏi các điều kiện khắc nghiệt Các cấu hình của anten miệng bao gồm loa kim tự tháp, loa nón và ống dẫn sóng hình chữ nhật.

Hình 1.3: Các cấu hình của anten miệng [4]

Anten vi dải là một loại anten bao gồm một miếng kim loại trên bề mặt đất, với nhiều cấu hình khác nhau như hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip, hình tam giác, hình quạt, và hình vòng Trong số đó, hình chữ nhật và hình tròn là phổ biến nhất do đặc tính bức xạ tốt và dễ chế tạo Anten vi dải có thể được sử dụng trên các bề mặt phẳng và không phẳng, có chi phí sản xuất thấp, và tương thích với công nghệ mạch in hiện đại Chúng có khả năng linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực sóng và phối hợp trở kháng, cho phép gắn trên máy bay, tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa, xe hơi, và cả điện thoại di động để đạt hiệu suất cao.

Hình 1.4: Các hình dạng patch của phần tử vi dải [4]

Hình 1.5: Các patch anten hình chữ nhật và hình tròn [4]

Các thông số cơ bản của anten

Băng thông là dải tần số mà trong đó các thông số của anten, như trở kháng vào, mô hình bức xạ và độ rộng chùm, đều đạt được các giá trị chấp nhận được.

17 thường, băng thông mong muốn là một trong những thông số xác định đc sử dụng để quyết định về một anten

Băng thông của anten dải rộng được xác định bằng tỉ số giữa tần số tối đa (fmax) và tần số tối thiểu (fmin) khi anten hoạt động với các đặc tính chấp nhận được Ví dụ, một băng thông 10:1 cho thấy tần số tối đa lớn hơn 10 lần so với tần số tối thiểu.

Anten dải hẹp có băng thông được xác định bằng tỷ lệ phần trăm của sự sai khác tần số so với tần số trung tâm Cụ thể, băng thông 5% cho thấy sự sai khác tần số là 5% so với tần số trung tâm của băng thông.

Phân cực của anten được xác định theo một hướng cụ thể, phản ánh phân cực của sóng mà anten truyền đi Khi không chỉ định hướng, phân cực được coi là theo hướng có độ lợi tối đa Sự phân cực của sóng bức xạ được minh họa qua đầu mút của vector điện trường tức thời và hướng mà nó di chuyển khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng Đường đi của đầu mút vector điện trường là hàm theo thời gian, như được thể hiện trong hình 1.6 a và b.

Hình 1.6: Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip [4]

(a) Sự quay của vector điện trường (b) Phân cực elip ở z = 0

Phân cực được chia thành ba loại chính: tuyến tính, tròn và ellip Phân cực tuyến tính xảy ra khi đầu mút của vector điện trường hướng theo một đường thẳng, trong khi phân cực ellip được hình thành khi đầu mút vạch ra một elip Phân cực tuyến tính và tròn là những trường hợp đặc biệt của phân cực ellip Ngoài ra, nếu đầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ, nó được gọi là phân cực phải, ngược lại, nếu quay ngược chiều kim đồng hồ, được gọi là phân cực trái.

Trường tức thời của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm trục z, có thể được biểu diễn như sau:

Các thành phần tức thời có quan hệ với các thành phần phức của nó bởi:

( ; ) Re Re cos j t kz x j t kz x x xo xo x z t E e E e

( ; ) Re Re cos j t kz y j t kz y y yo yo y z t E e E e

Với Exo và Eyo tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần trường theo trục x và y

1.4.2.1 Phân cực thẳng Để sóng bức xạ phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa hai thành phần là:

Phân cực tròn xảy ra khi biên độ của hai thành phần sóng là giống nhau và sự khác pha giữa chúng là một số lẻ lần π/2.

Nếu hướng truyền sóng bị đảo ngược (ví dụ, theo hướng +z), các độ lệch pha trong (1.9) và (1.10) cho hướng CW và CCW phải trao đổi cho nhau

Phân cực elip xảy ra khi độ lệch pha giữa hai thành phần là số lẻ lần π/2 và biên độ của chúng không bằng nhau, hoặc khi độ lệch pha không phải là bội của π/2 Điều này có thể được biểu diễn qua các thành phần x và y, với E xo và E yo là các biên độ tương ứng.

Phân cực elip tạo ra đường cong quét tại một vị trí xác định theo hàm thời gian Tỉ lệ giữa bán trục lớn và bán trục nhỏ được gọi là tỉ lệ trục (Axial Ratio - AR).

2 xo yo xo yo xo yo

2 xo yo xo yo xo yo

OB E E E E  E E    (1.18) Độ nghiêng của elip, có quan hệ với trục y, được thể hiện bởi góc  :

Khi elip thẳng với trục chính    n  / 2, n  0,1, 2, , trục chính (phụ) bằng với

E E hoặc E yo (E xo ) và tỉ lệ trục bằng E xo /E yo hoặc E yo /E xo

Trở kháng vào của anten là tỉ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm đầu vào, hoặc là tỉ số giữa các thành phần điện trường và từ trường tại một điểm cụ thể Cách xác định trở kháng của anten được thực hiện dựa trên các yếu tố này.

ZA = RA + jXA (1.20) Trong đó:

+ ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

+ RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω)

+ XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

Thành phần điện trở trong (1.20) bao gồm 2 thành phần là:

RA = RR + RL (1.21) Trong đó:

+ RR là điện trở bức xạ của anten

+ RL điện trở tải của anten

Trở kháng vào của anten là một hàm tần số, điều này có nghĩa là anten chỉ hoạt động hiệu quả với đường tiếp điện trong một dải tần nhất định Ngoài ra, trở kháng vào của anten còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm hình dạng của anten, phương pháp tiếp điện và các đối tượng xung quanh Sự phức tạp này làm cho việc tối ưu hóa trở kháng trở thành một thách thức quan trọng trong thiết kế anten.

22 của chúng, chỉ một vài anten thực tế được nghiên cứu và phân tích Với các loại anten khác, trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm

Các tín hiệu vô tuyến được phát ra từ anten tạo thành một trường điện từ với giản đồ xác định, thể hiện các đặc tính định hướng của anten Đặc tính bức xạ bao gồm mật độ công suất, cường độ bức xạ, độ mạnh trường, hệ số định hướng, pha và phân cực sóng Sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hoặc 3 chiều là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hoặc bề mặt có bán kính không đổi Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hoặc biểu đồ đồ họa thể hiện các đặc tính bức xạ và phụ thuộc vào các tọa độ không gian, thường được xem xét trong trường xa.

Hình 1.7: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [4]

Trong thực tế, một giản đồ 3D có thể được biểu diễn thông qua hai giản đồ 2D Thông thường, việc tập trung vào giản đồ là hàm của biến θ với một số giá trị đặc biệt của φ, cùng với giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc trưng của θ, là đủ để cung cấp hầu hết thông tin cần thiết.

Hệ số định hướng của anten là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ theo một hướng cụ thể và cường độ bức xạ trung bình trên mọi hướng Cường độ bức xạ trung bình đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của anten.

Công suất bức xạ của 24 bình được tính bằng tổng công suất chia cho 4π Khi hướng không được xác định, cường độ bức xạ cực đại sẽ được chọn làm hướng tham chiếu Hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính bằng tỉ lệ giữa cường độ bức xạ theo một hướng nhất định (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (Uo).

   (1.22) Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau: max max max max

+ D0 là hướng tính cực đại

+ U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

+ Umax là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc)

+ U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc)

+ Prad là tổng công suất bức xạ (W)

Với nguồn đẳng hướng, từ (1.22) hay (1.23) ta nhận thấy rằng hướng tính bằng

1 khi U, Umax và U0 bằng nhau

Độ lợi (Gain) là một đơn vị quan trọng để đánh giá hiệu suất của anten, liên quan mật thiết đến hệ số định hướng Nó không chỉ phản ánh khả năng hướng tính của anten mà còn giúp tính toán hiệu suất tổng thể Độ lợi được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực tế với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn, thường là anten đẳng hướng, ở cùng hướng và khoảng cách nhất định, với giả định công suất không đổi.

25 đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)

Kết luận chương

Chương mở đầu giới thiệu khái niệm cơ bản về anten, thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc nhận sóng vô tuyến Bài viết cũng đề cập đến một số loại anten phổ biến như anten dây, anten miệng và anten vi dải Ngoài ra, các thông số quan trọng như băng thông, phân cực sóng, trở kháng vào, mô hình bức xạ, hệ số định hướng và độ lợi cũng được nêu ra để mô tả hoạt động của anten trong thiết kế và đo lường Chương tiếp theo sẽ đi sâu vào tìm hiểu về anten vi dải và anten PIFA.

ANTEN VI DẢI

Giới thiệu chương

Chương tiếp theo trình bày các nội dung cơ bản của anten vi dải, đồng thời giới thiệu về anten PIFA bao gồm các nội dung sau:

+ Giới thiệu chung về anten vi dải và các loại anten vi dải

Anten vi dải

Khái niệm anten vi dải được giới thiệu lần đầu bởi Deschamps vào năm 1953, tiếp theo là Gutton và Bassinot vào năm 1955 Tuy nhiên, việc chế tạo anten vi dải chỉ thực sự bắt đầu sau 20 năm, khi các chất nền với đặc tính tốt được phát triển.

Anten vi dải cơ bản nhất bao gồm một patch phát xạ trên một mặt của chất nền có hằng số điện môi (εr