GIỚI THIỆU VỀ ANTEN
Khái niệm cơ bản về anten
Anten là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền và nhận sóng điện từ, có chức năng bức xạ hoặc thu nhận tín hiệu RF do radio tạo ra Chúng có khả năng phát tín hiệu vào không khí hoặc nhận sóng điện từ cho radio, đóng vai trò then chốt trong việc kết nối và truyền tải thông tin.
Một khái niệm quan trọng cần phải biết là anten đẳng hướng (hay bức xạ đẳng hướng
Anten đẳng hướng là một loại anten lý tưởng, không bị suy hao, phát ra tín hiệu đồng đều theo mọi hướng Khi đặt một bộ bức xạ đẳng hướng ở trung tâm của một hình cầu, trường điện từ sẽ đồng nhất ở tất cả các điểm trên bề mặt hình cầu Đây là điểm tham chiếu quan trọng khi nghiên cứu và so sánh các loại anten khác nhau.
Những thuộc tính của anten
Để chọn lựa anten phù hợp, bạn cần nắm rõ các thuộc tính mô tả như dạng bức xạ, hướng tính, độ lợi, trở kháng đầu vào, sự phân cực và băng thông.
Hướng tính của anten (directivity of anten)
Hướng tính của anten thể hiện cường độ bức xạ theo một hướng cụ thể so với cường độ bức xạ trung bình Nó cho biết mật độ công suất bức xạ liên quan đến công suất bức xạ được phân bố đồng đều Độ lợi của anten (gain) cũng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của nó.
Gain không chỉ phản ánh khái niệm directivity mà còn bao gồm sự mất mát công suất của anten Độ bức xạ hiệu dụng có thể được định nghĩa để mở rộng directivity và xác định độ lợi; một bộ bức xạ hoàn hảo có độ bức xạ hiệu dụng bằng 1 Độ lợi được biểu diễn bằng dBi (độ lợi tính theo dB của anten đẳng hướng) hoặc dBd (độ lợi dB của anten half-wave dipole) Để chuyển đổi giữa dBd và dBi, chỉ cần cộng thêm 2.2 vào độ lợi dBd để có độ lợi dBi Việc ghi nhớ quy ước này là cần thiết vì hầu hết các nhà sản xuất sử dụng dBi, trong khi một số khác lại dùng dBd Hình ảnh dưới đây minh họa dạng bức xạ của anten định hướng, lưu ý rằng sự bức xạ này tồn tại trong không gian 3 chiều.
Dạng bức xạ của anten thể hiện sự khác biệt về góc bức xạ tại một khoảng cách cố định, thường được diễn tả qua hướng và độ lợi của anten Anten có main lobe, tức là vùng bức xạ chính với độ lợi lớn nhất, cùng với minor lobe, bao gồm side lobe và back lobe tùy thuộc vào vị trí của chúng so với main lobe Các nhà sản xuất thường mô tả anten dựa trên độ lợi của main lobe và cũng chỉ rõ độ rộng của vùng bức xạ.
Nguyên lý half-power beamwidth, theo định nghĩa của IEEE, là góc giữa hai hướng cắt trong một bức xạ pattern, nơi cường độ bức xạ chỉ bằng một nửa giá trị tối đa trong main lobe Ví dụ, khi xem xét dạng bức xạ của anten, ta có thể xác định các điểm ở hai bên của main lobe tại đó độ lợi thấp hơn.
Điểm 3 dB so với cực đại của lobe được gọi là half-power point, và góc giữa chúng được xác định là half-power beamwidth Hình ảnh dưới đây minh họa rõ ràng khái niệm này.
In the context of an antenna's radiation pattern, the front-to-back ratio compares the maximum gain of the antenna in the main lobe to the maximum gain in the back lobe For instance, in the given example, the front-to-back ratio is 20 dB, with the main lobe exhibiting a gain of 15 dBi.
Hình 1.3 Tỷ số front-to-back
Chúng ta sẽ kiểm tra công suất thực sự phát ra từ radio khi kết nối với anten Công suất bức xạ hiệu dụng được tính bằng cách nhân độ lợi của anten (đơn vị dBd) với công suất mà transmitter cung cấp Để thực hiện các tính toán này, bạn thường phải sử dụng các hàm log và dB, điều này có nghĩa là bạn cộng thêm độ lợi của anten vào công suất từ transmitter Độ lợi của anten thường được biểu diễn bằng dBi, và một thuật ngữ khác cho công suất bức xạ là Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (ERP), trong đó độ lợi của anten được so sánh với bộ bức xạ đẳng hướng.
Sóng điện từ do anten phát ra có nhiều dạng khác nhau, ảnh hưởng đến quá trình quảng bá Hình dạng sóng này phụ thuộc vào loại phân cực của anten, có thể là phân cực tuyến tính hoặc phân cực vòng.
Hầu hết anten WLAN hiện nay sử dụng phân cực tuyến tính, bao gồm phân cực ngang và dọc Phân cực dọc phổ biến hơn, nhưng đôi khi phân cực ngang lại mang lại hiệu quả tốt hơn Anten phân cực vòng không thích hợp cho kết nối trong nhà, nhưng có thể sử dụng với wireless bridge Anten phân cực vòng có hai loại: phân cực tay trái, khi vector trường điện quay theo chiều kim đồng hồ, và phân cực tay phải, khi vector quay ngược kim đồng hồ Anten phân cực vòng giữ nguyên phân cực khi quay, trong khi anten phân cực tuyến tính có thể chuyển đổi giữa phân cực ngang và dọc Đối với kết nối LOS, nên sử dụng cùng loại phân cực ở cả hai đầu kết nối.
Sự bức xạ hiệu dụng của anten là tỷ lệ giữa tổng công suất phát ra và công suất từ transmitter mà anten chấp nhận Anten phát ra năng lượng điện từ, và tất cả thiết bị RF như radio, đường truyền, anten đều có trở kháng, là tỷ số giữa điện áp và dòng điện Khi anten kết nối với cable, nếu trở kháng đầu vào trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền, công suất truyền từ radio đến anten đạt tối đa Ngược lại, nếu trở kháng không khớp, một phần năng lượng sẽ phản xạ ngược về nguồn, dẫn đến sự phản xạ được mô tả bởi tỷ số sóng đứng điện áp VSWR VSWR bằng 1 nghĩa là không có phản xạ, nhưng khi VSWR tăng, sự phản xạ cũng gia tăng VSWR cao kết hợp với công suất lớn có thể gây nguy hiểm, như phóng điện Tuy nhiên, tình huống này ít xảy ra khi sử dụng công suất thấp trong mạng WLAN.
Băng thông của anten xác định vùng tần số mà anten có hiệu năng chấp nhận được, được giới hạn bởi tần số tối đa và tối thiểu Hiệu năng chấp nhận được có nghĩa là các đặc điểm như dạng bức xạ và trở kháng đầu vào không thay đổi trong dãy tần số đó Một số anten được xem là băng rộng khi tỷ số giữa tần số lớn nhất và nhỏ nhất lớn hơn 2 Tuy nhiên, anten băng rộng thường có hiệu năng kém, và hiện tại, sự phân bố tần số 802.11 không yêu cầu anten băng rộng, trừ khi bạn cần sử dụng cả hai băng tần 2.4 GHz và 5 GHz trong một anten duy nhất.
Khi lựa chọn anten, bạn sẽ nhận thấy rằng nhiều thuộc tính của anten có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Mặc dù có vẻ như việc chọn anten với tất cả các thuộc tính tối ưu là lý tưởng, nhưng điều này thường không khả thi Chẳng hạn, nếu bạn chọn beamwidth rất rộng, bạn sẽ phải hy sinh độ lợi Ngoài ra, anten băng rộng thường có dạng bức xạ khác nhau Do đó, việc xác định thuộc tính nào là quan trọng cho việc triển khai anten là rất cần thiết.
Các kiểu anten
Hình dưới minh họa nhiều loại anten khác nhau
Anten half-wave dipole có chiều dài từ đầu đến cuối bằng nửa bước sóng tại tần số tương ứng Anten omni-directional cung cấp độ lợi đồng đều theo mọi hướng trong mặt phẳng ngang, và thường là dipole Loại anten này rất hữu ích trong việc triển khai mạng WLAN nhờ khả năng cung cấp vùng bao phủ toàn diện Anten Yagi-Uda được chế tạo từ một chuỗi các anten dipole song song, tạo ra hiệu suất tốt hơn trong việc thu phát tín hiệu.
Anten Yagi là một loại anten định hướng phổ biến nhờ vào khả năng chế tạo dễ dàng Loại anten này thường được sử dụng để cung cấp vùng bao phủ ở những khu vực khó tiếp cận hoặc khi cần mở rộng vùng phủ sóng hơn so với anten đa hướng.
Anten Patch là một loại anten định hướng được tạo ra bằng cách đặt một miếng nối trên bảng mạch điện, nổi bật với hình dáng mỏng gọn Ngoài anten Patch, còn có nhiều loại anten khác như anten broadside với main beam song song với mặt phẳng của anten, anten fire có main beam nằm trong mặt phẳng của anten, và anten pencil beam cung cấp tín hiệu hẹp và độ lợi cao.
Tăng ích và tính định hướng của anten
Tăng ích của ăng-ten được định nghĩa là cường độ bức xạ theo hướng cụ thể chia cho cường độ bức xạ khi ăng-ten phát tất cả công suất RF một cách đồng đều Định nghĩa này yêu cầu hiểu biết về vật bức xạ đẳng hướng, tức là vật phát xạ công suất giống nhau ở mọi hướng Các nguồn không định hướng như âm thanh và ánh sáng thường được gọi là nguồn điểm Tuy nhiên, ăng-ten đẳng hướng chỉ là khái niệm lý tưởng, vì thực tế, mọi ăng-ten đều có đặc tính hướng nhất định ăng-ten đẳng hướng là một tham chiếu quan trọng với tăng ích duy nhất là 1 (g = 1 hoặc G = 0 dB), đảm bảo toàn bộ công suất được bức xạ đồng đều.
Mặc dù sự đẳng hướng là nền tảng tham chiếu cho tăng ích của ăng-ten, lưỡng cực thường được sử dụng hơn Tăng ích của lưỡng cực nửa bước sóng chuẩn là 1.64 (G = 2.15 dB) so với vật phát xạ đẳng hướng Tăng ích của ăng-ten được biểu diễn dưới dạng đề-xi-ben (dB); khi tham chiếu theo vật bức xạ đẳng hướng, đơn vị là dBi, còn khi tham chiếu theo lưỡng cực nửa sóng, đơn vị là dBd.
Directivity tương tự như tăng ích nhưng có sự khác biệt quan trọng Nó không bao gồm các ảnh hưởng của chính nó Tăng ích dựa trên công suất được cung cấp cho ăng-ten, nhưng một phần công suất này bị mất do trở thuần của các phần tử và dòng rò qua lớp điện môi Nếu ăng-ten không có tổn hao và đạt hiệu suất 100%, thì tăng ích và directivity theo một hướng nhất định có thể giống nhau.
Mẫu bức xạ
Mẫu bức xạ (hay Mẫu ăng-ten) là biểu diễn tăng ích của ăng-ten theo mọi hướng, mô tả ba chiều của mật độ công suất, nhưng khó sử dụng Thông thường, chúng được biểu diễn qua hình cắt Hình 1.1 minh họa Mẫu bức xạ của lưỡng cực nửa bước sóng ngang ở mặt cắt ngang và mặt cắt dọc Trong hình, Mẫu ở mặt cắt ngang cho thấy không có cấu trúc, với tăng ích hằng số theo góc ngang Ngược lại, mặt cắt dọc cho thấy tăng ích cực đại theo phương ngang và không phát xạ theo trục ăng-ten Khi tham khảo tăng ích của ăng-ten, hướng thường không được chỉ rõ, nhưng giả sử rằng hướng tăng ích là hướng bức xạ cực đại, do đó, mẫu kết hợp sẽ biểu diễn các giá trị liên quan đến tăng ích cực đại.
Búp và nút
Trong một mẫu, các vùng có tăng ích với vùng phủ cực đại được gọi là Búp, trong khi những vị trí có tăng ích với vùng phủ cực tiểu được gọi là nút Mặt cắt đứng của lưỡng cực nửa sóng có hai búp sóng và hai điểm nút.
Mẫu ăng-ten phức tạp có thể sở hữu nhiều búp và nút trong cả mặt cắt đứng và ngang Búp sóng có tăng ích lớn nhất được gọi là búp sóng chính hoặc tia chính Nếu một ăng-ten chỉ có một giá trị tăng ích, thì đó cũng là búp sóng chính Độ rộng búp sóng được xác định theo giá trị góc của búp sóng chính trong một hoặc cả hai mặt cắt Có nhiều định nghĩa về độ rộng búp sóng, bao gồm Độ rộng nửa công suất (3 dB), Độ rộng 10 dB và Độ rộng nút đầu tiên Đặc biệt, độ rộng 3 dB là góc lớn nhất mà tăng ích giảm xuống 3 dB so với giá trị cực đại, và đây là định nghĩa thường được sử dụng nhất.
Phân cực ăngten
Sự phân cực là thuật ngữ có nhiều ý nghĩa, nhưng chính xác nhất, nó đề cập đến sự định hướng của các véc tơ trường điện từ E tại một số điểm trong không gian.
Sự phân cực của sóng có thể được chia thành hai loại chính: phân cực tuyến tính và phân cực tròn hoặc elip Phân cực tuyến tính xảy ra khi sóng giữ nguyên hướng tại mỗi điểm trong không gian, trong khi phân cực tròn hoặc elip xảy ra khi sóng quay trong không gian Thông thường, sóng được bức xạ có phân cực tuyến tính, có thể theo chiều đứng hoặc ngang, và điều này thường được quan sát ở khoảng cách lớn so với ăng-ten.
(Khoảng 10 lần bước sóng), sóng trường xa có thể được coi là sóng phẳng
Sự phân cực của ăng-ten là khái niệm quan trọng trong việc hiểu cách thức hoạt động của sóng bức xạ Đối với ăng-ten thu, nếu nó có phân cực đứng, sóng đầu vào cũng cần phải có phân cực đứng để đạt được đầu ra tối ưu Khi sóng đầu vào có phân cực khác, chỉ có thành phần đứng mới được nhận diện, trong khi sóng phân cực ngang sẽ không được thu nhận bởi ăng-ten đứng Phân cực đứng thường được ứng dụng trong các hệ thống LMR (Land Mobile Radio).
Trở kháng đầu cuối của ăngten
Có 3 loại trở kháng có liên quan tới ăng-ten Một là trở kháng đầu cuối của ăng-ten, hai là trở kháng đặc trưng của một đường truyền dẫn, ba là trở kháng sóng Trở kháng đầu cuối được định nghĩa là tỉ sổ giữa điện áp và dòng điện tại đầu kết nối của ăng-ten (điểm mà đường truyền dẫn được nối tới) Trở kháng đầu cuối được biểu diễn toán học dưới dạng:
Trở kháng Z được đo bằng ohm, điện áp V bằng vôn, và dòng điện I bằng ampe tại đầu cuối của ăng-ten với tần số xác định Mỗi biến này có thể được biểu diễn dưới dạng số phức, bao gồm phần thực và phần ảo Những số phức này cũng có thể được thể hiện bằng cường độ và góc pha, thường được gọi là ký hiệu phasor.
Phần thực của trở kháng được gọi là thành phần trở thuần, và thành phần ảo được gọi là thành phần kháng, Chúng thường được biểu diễn dưới dạng:
Z=R+jX Với R là thành phần trở thuần (thực), X là thành phần kháng (ảo)
Để đạt hiệu quả tối ưu trong việc kết hợp năng lượng giữa ăng-ten và đường truyền dẫn, trở kháng của chúng cần phải tương đồng và không có thành phần kháng Ứng dụng phổ biến là thiết kế ăng-ten với trở kháng đầu cuối 50 ohm hoặc 75 ohm, giúp phối hợp tốt với cáp đồng trục Đối với những ăng-ten không thể loại bỏ hoàn toàn thành phần kháng, mạng phối hợp trở kháng sẽ được tích hợp vào ăng-ten để điều chỉnh trở kháng, từ đó cải thiện khả năng kết nối với đường truyền dẫn Thành phần trở thuần R của trở kháng đầu cuối là tổng của hai thành phần và được đo bằng đơn vị ohm.
Điện trở bức xạ Rr là "Tải hiệu dụng" thể hiện công suất bức xạ của ăng-ten dưới dạng sóng điện từ, trong khi điện trở tổn hao Rd là tải cho công suất bị mất Hiệu suất của ăng-ten được tính bằng tỉ số giữa công suất bức xạ và tổng công suất cung cấp cho ăng-ten.
Công suất hao phí của ăng-ten chủ yếu do tổn hao trở thuần dưới dạng nhiệt trong các phần tử của ăng-ten và dòng dò qua các lớp điện môi Bên cạnh đó, hiệu suất của ăng-ten có thể được thể hiện qua tỉ số giữa tăng ích và tính định hướng trong một hướng xác định.
Tỉ số sóng đứng (SWR), hay điện áp tỉ số sóng đứng (VSWR), không phải là đặc trưng của ăng-ten mà là chỉ số thể hiện khả năng hoạt động của ăng-ten khi kết nối với đường truyền dẫn Nó cho thấy mức độ phối hợp giữa trở kháng đầu cuối của ăng-ten và trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn Cụ thể, VSWR được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp RF tối đa và điện áp RF tối thiểu dọc theo đường truyền dẫn.
Khi trở kháng của ăng-ten phù hợp với trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn, không có tín hiệu RF nào bị phản xạ và VSWR đạt giá trị 1, dẫn đến không có sóng đứng trên đường truyền Ngược lại, nếu ăng-ten và đường truyền dẫn không được phối hợp, một phần tín hiệu RF sẽ bị phản xạ, tạo ra sóng đứng với các điểm cực đại và cực tiểu, làm cho VSWR lớn hơn 1.
VSWR có thể dễ dàng được đo bằng thiết bị gọi là SWR meter, được lắp vào đường truyền dẫn để cung cấp giá trị VSWR Khi VSWR đạt 1.5, khoảng 4% công suất đến ăng-ten bị phản xạ, trong khi ở mức 2.0, con số này tăng lên khoảng 11% Các giá trị VSWR từ 1.1 đến 1.5 được coi là tuyệt vời, từ 1.5 đến 2.0 là tốt, và các giá trị cao hơn 2.0 có thể không được chấp nhận.
Việc phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và đường truyền dẫn chỉ đạt được tại một tần số đơn Tuy nhiên, trong thực tế, ăng-ten có thể hoạt động trên một dải tần số và trở kháng đầu cuối sẽ thay đổi theo dải tần số đó Thông số kỹ thuật của ăng-ten thường chỉ ra trở kháng tại các tần số trong băng hoặc chỉ số VSWR theo tần số.
Độ dài hiệu dụng và diện tích hiệu dụng, hay còn gọi là góc mở hiệu dụng, là những chỉ số quan trọng để biểu diễn hiệu suất của ăng-ten, đặc biệt khi chúng được sử dụng để thu tín hiệu Những đặc trưng này có ý nghĩa rõ ràng và thuận tiện hơn khi áp dụng trong bối cảnh thu nhận tín hiệu, mặc dù theo nguyên lý thuận nghịch, chúng cũng có giá trị tương tự khi ăng-ten được sử dụng để phát tín hiệu.
Chiều dài hiệu dụng của ăng-ten là khả năng tạo ra điện áp tại đầu cuối từ trường điện từ Nó được định nghĩa là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của ăng-ten trong việc phát và thu sóng.
Với Le là đơn vị mét, V là điện áp hở mạch đo bằng volt, và E là cường độ trường tính bằng volt trên mét Định nghĩa này giả định rằng sự phân cực của trường và ăng-ten là tương đồng Chiều dài hiệu dụng cũng có thể được tính toán dựa trên tăng ích và điện trở bức xạ.
Diện tích hiệu dụng, hoặc góc mở hiệu dụng được dùng phổ biến hơn chiều dài hiệu dụng Nó được định nghĩa như sau:
Băng thông là dải tần số mà trong đó các đặc trưng của ăng-ten, như tăng ích, mẫu và trở kháng đầu cuối, đạt giá trị chấp nhận được Đối với hầu hết các ăng-ten, các đặc trưng này thường không thay đổi nhiều theo tần số, do đó, băng thông của ăng-ten thường được mô tả thông qua tăng ích và mẫu.
VSWR là chỉ số đo lường sự không khớp giữa trở kháng của ăng-ten và trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn Do trở kháng đặc trưng thường ổn định theo tần số, VSWR trở thành công cụ hữu ích để đánh giá ảnh hưởng của trở kháng đầu cuối và băng thông của ăng-ten Các loại ăng-ten như lưỡng cực nửa sóng thường có băng thông hẹp, trong khi ăng-ten log-periodic được thiết kế để có băng thông rộng hơn.
ANTEN VI DẢI
Giới thiệu chung về anten vi dải
Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm
Năm 1953, anten vi dải đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson, nhưng phải đến 20 năm sau, công nghệ này mới được ứng dụng rộng rãi Anten vi dải đã trải qua nhiều nghiên cứu và phát triển, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một patch kim loại mỏng, được đặt cách mặt đất một khoảng nhỏ Patch này được thiết kế để tối ưu hóa đồ thị bức xạ, thông qua việc lựa chọn mode trường bức xạ phù hợp ở vùng không gian bên dưới Bức xạ end-fire cũng có thể đạt được bằng cách chọn mode hoạt động thích hợp Đối với patch hình chữ nhật, chiều dài thường nằm trong khoảng từ λ0/3 đến λ0/2 Patch và mặt đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền.
Khe bức xạ #1 Khe bức xạ #2
Có nhiều loại điện môi nền được sử dụng trong thiết kế anten vi dải, với hằng số điện môi thường nằm trong khoảng 2.2 đến 12 Các lớp điện môi dày thường có hằng số điện môi thấp hơn, mang lại hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và hạn chế sự bức xạ của các trường tổn hao vào không gian, tuy nhiên kích thước các phần tử sẽ lớn hơn Ngược lại, nền mỏng với hằng số điện môi cao có thể được áp dụng cho các mạch vi sóng, nhờ vào khả năng giới hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cho phép kích thước phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên, việc sử dụng nền mỏng cũng dẫn đến tổn thất lớn hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất và băng thông.
2.1.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được xác định bởi nhiều thông số vượt trội so với anten truyền thống, với thiết kế đa dạng về hình học như hình vuông, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt và hình vành khuyên.
Hình 2.2 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 là một loại anten bao gồm một patch dẫn điện trên bề mặt của miếng đế điện môi và một mặt phẳng đất ở phía đối diện Các anten patch vi dải có nhiều hình dạng khác nhau, trong đó hình vuông và hình tròn là hai dạng phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng viễn thông.
Dipole vi dải có hình dạng tương tự như anten vi dải patch hình vuông, nhưng khác nhau về tỷ số L/W Bề rộng của dipole thường nhỏ hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải tương tự nhau, nhưng các đặc tính như điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo thì khác biệt Anten dipole vi dải thích hợp cho ứng dụng ở tần số cao nhờ sử dụng miếng đế điện môi dày, giúp đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn là yếu tố quan trọng cần xem xét khi phân tích anten dipole vi dải.
Antenna khe in printed slot antenna được cấu tạo từ một khe trong mặt phẳng đất của đế nối đất, với nhiều hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình tròn hay hình nến Loại anten này bức xạ theo hai hướng, tức là bức xạ trên cả hai mặt của khe Để tạo ra bức xạ đơn hướng, có thể sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe.
Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)
MTA là một cấu trúc bao gồm nhiều vật dẫn được kết nối với nhau hoặc một đoạn đường truyền vi dải dài và rộng, hỗ trợ chế độ truyền TE Anten MTA có đầu nối đất và đầu còn lại được điều chỉnh trở kháng để ngăn chặn sóng đứng Thiết kế anten MTA cho phép điều chỉnh hướng búp sóng chính từ broadside đến endfire.
2.1.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác
Antena vi dải được ứng dụng rộng rãi trong dải tần từ 100 MHz đến 100 GHz MSA đã chứng minh là thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng, mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm cần được khắc phục.
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
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
2.1.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method)
Anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi, do đó, kỹ thuật cấp nguồn ban đầu thường sử dụng đường truyền vi dải hoặc probe đồng trục kết nối đến patch kim loại Với sự tiến bộ của công nghệ, nhiều phương pháp cấp nguồn mới đã được phát triển, bao gồm đường truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe và ghép gần Việc lựa chọn phương pháp cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn là quan trọng nhất, đòi hỏi sự phối hợp trở kháng giữa chúng Ngoài ra, chuyển đổi trở kháng và uốn cong cũng có thể gây ra bức xạ rò và suy hao sóng mặt, làm tăng bức xạ phụ trong đồ thị bức xạ của anten Do đó, việc giảm thiểu bức xạ rò và tác động của nó đến đồ thị bức xạ là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của phương pháp cấp nguồn.
2.1.4 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải
Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một lựa chọn tự nhiên, vì patch có thể coi là một đường truyền vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, kỹ thuật này gặp một số hạn chế, bao gồm sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước của nó đáng kể so với patch, đặc biệt trong trường hợp chiều dài đoạn feed line quá nhỏ, chỉ vài mm.
Hình 2.3 – Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải
2.1.5 Cấp nguồn bằng cáp đồng trục
Cấp nguồn bằng cáp đồng trục là phương pháp cơ bản để truyền tải công suất cao tần, trong đó phần lõi của đầu feed được kết nối với patch và phần ngoài nối với ground plane Phương pháp này có ưu điểm là thiết kế đơn giản, cho phép cấp nguồn tại mọi vị trí trên tấm patch, dễ dàng trong việc phối hợp trở kháng Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm.
Việc sử dụng đầu feed trong anten dẫn đến việc phần ăn ra ngoài, làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất tính đối xứng Thêm vào đó, việc cung cấp nguồn đồng trục cho một dãy anten yêu cầu số lượng đầu nối tăng lên, gây khó khăn trong chế tạo và giảm độ tin cậy Cuối cùng, để tăng băng thông cho anten, cần phải tăng bề dày lớp nền và chiều dài cáp, điều này dẫn đến sự gia tăng bức xạ rò và điện cảm của probe.
Patch Điểm tiếp xúc điện
Hình 2.4 – Cấp nguồn dùng cáp đồng trục
2.1.6 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
Patch khe Đường cấp nguồn vi dải
Hình 2.5 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
Phương pháp cấp nguồn được áp dụng để giảm thiểu bức xạ không mong muốn từ đường microstrip line, với cấu trúc bao gồm hai lớp điện môi Ở trên cùng là patch antenna, còn lớp giữa có khe hở slot nhỏ và đường truyền feed line nằm ở lớp điện môi dưới Thông thường, lớp điện môi trên có hằng số điện môi thấp, trong khi lớp dưới có hằng số cao nhằm tối ưu hóa hiệu suất bức xạ của anten Tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn trong việc thực hiện do yêu cầu nhiều lớp và làm tăng độ dày của anten, đồng thời chỉ cho băng hẹp.
2.1.7 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
Cấu trúc của anten patch bao gồm hai lớp điện môi, với miếng anten nằm trên lớp điện môi trên và đường cấp nguồn nằm giữa hai lớp Phương pháp này giúp giảm thiểu sự bức xạ từ đường cấp nguồn, đồng thời cung cấp băng thông rộng khoảng 13%.
Patch Đường cấp nguồn vi dải
Hình 2.6 – Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
Các mô hình phân tích của anten vi dải
Có nhiều phương pháp phân tích anten vi dải, mỗi phương pháp cung cấp một mô hình gần đúng cho anten Hai mô hình phổ biến nhất trong phân tích này là mô hình đường truyền (microstrip line) và mô hình hốc cộng hưởng (cavity model).
Việc đưa ra các mô hình phân tích có một ý nghĩa thực tiễn thực tiễn rất lớn vì các lí do:
Giúp ta giảm bớt một lượng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ bằng cách tác động vào quá trình thiết kế
Giúp ta đánh giá một cách chính xác các ưu khuyết điểm của anten bằng cách nghiên cứu các thông số của nó
Cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết kế sau này
Mô hình đường truyền sóng coi anten vi dải dạng patch hình chữ nhật như một đoạn của đường truyền vi dải Đây là mô hình đơn giản nhất, giúp hiểu biết về vật lý nhưng lại thiếu chính xác và khó áp dụng cho các mô hình ghép, cũng như không phù hợp với anten có hình dạng phức tạp.
Mô hình hốc cộng hưởng có độ chính xác cao hơn mô hình đường truyền sóng, nhưng cũng phức tạp hơn Ưu điểm của mô hình này là khả năng áp dụng cho nhiều dạng patch khác nhau Cả hai mô hình đều cung cấp hiểu biết vật lý sâu sắc và phức tạp, đặc biệt khi áp dụng cho các mô hình ghép anten và đã được sử dụng thành công Bài viết này sẽ xem xét cả hai mô hình, đồng thời sử dụng một số kết quả tính toán và thiết kế từ mô hình toàn sóng, tập trung vào dạng anten vi dải phổ biến và thực tế nhất.
2.2.1 Mô hình đường truyền (Transmission line)
Mô hình đường truyền là phương pháp đơn giản nhất cho tất cả các loại anten, nhưng độ chính xác không cao do thiếu tính linh hoạt Mô hình này giúp hiểu rõ về tính vật lý của anten, chẳng hạn như anten microstrip hình chữ nhật, có thể được mô tả như một mảng gồm hai khe bức xạ hẹp với chiều rộng W, chiều cao h và khoảng cách L giữa chúng Mô hình đường truyền cơ bản mô tả anten vi dải với hai khe được phân cách bởi một đường truyền có trở kháng thấp Zc và chiều dài L.
2.2.2 Hiệu ứng viền (Fringing Effects)
Kích thước của patch anten bị giới hạn bởi chiều dài và chiều rộng, với trường tại gờ của patch bị viền Viền của một hàm phụ thuộc vào kích thước của patch và chiều cao của lớp điện môi Trong mặt phẳng E-plane (mặt phẳng x-y), viền là hàm theo tỷ số giữa chiều dài patch, bề dài lớp điện môi (L/h), và hằng số điện môi r Khi anten vi dải có L/h >> 1, hiệu ứng viền giảm bớt, nhưng vẫn cần được tính toán vì ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng của anten.
Hầu hết các đường sức điện trường tập trung trong lớp điện môi nền, đặc biệt khi L/h >> 1 và εr >> 1 Hiệu ứng viền làm cho đường truyền vi dải có vẻ rộng hơn kích thước thực Một số sóng đi vào lớp điện môi, trong khi một số khác đi vào không khí Hằng số điện môi hiệu dụng εreff được sử dụng để hiệu chỉnh ảnh hưởng của hiệu ứng viền Giả sử tâm dẫn của đường truyền vi dải được đặt trong lớp điện môi đồng nhất, hằng số điện môi hiệu dụng có giá trị trong khoảng 1 < εreff < εr Khi εr lớn hơn nhiều so với 1, giá trị này gần với hằng số điện môi thực Hằng số điện môi hiệu dụng cũng phụ thuộc vào tần số; khi tần số tăng, đường sức điện trường tập trung nhiều hơn trong nền điện môi, khiến đường truyền vi dải giống như đường truyền trong điện môi đồng nhất Ở tần số thấp, hằng số điện môi hiệu dụng là ε cơ bản, trong khi tại tần số trung gian, giá trị này tăng dần và tiến tới giá trị hằng số điện môi nền.
(c) Hằng số điện môi hiệu dụng
Hình 2.8 Hằng số điện môi hiệu dụng
Hằng số điện môi hiệu dụng được cho bởi công thức :
2.2.3 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng
Do hiệu ứng viền, patch của anten vi dải có kích thước điện lớn hơn kích thước vật lý trong mặt phẳng x-y Hình 1.10 minh họa rằng chiều dài điện của patch vượt quá chiều dài vật lý một khoảng L ở mỗi phía Khoảng chênh lệch này, L, phụ thuộc vào hằng số điện môi hiệu dụng và tỷ lệ chiều rộng trên bề dày điện môi (W/h) Sự khác biệt giữa chiều dài điện và chiều dài thực được tính xấp xỉ theo một công thức cụ thể.
Khi chiều dài của patch được kéo dài một khoảng L về mỗi bên, chiều dài của patch lúc này là :
Công thức L reff = L + 2 L (2-40) mô tả chiều dài hiệu dụng của anten vi dải Giả sử mode ưu thế là TM 010, tần số cộng hưởng của anten vi dải cho mode này phụ thuộc vào chiều dài và được xác định bởi công thức trên.
Vận tốc ánh sáng trong không gian tự do được ký hiệu là v0 Tuy nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng viền lên chiều dài và hằng số điện môi hiệu dụng, công thức ban đầu cần được điều chỉnh cho phù hợp.
Hệ số q, hay còn gọi là hệ số viền, thể hiện sự suy giảm chiều dài trong môi trường điện môi Khi chiều cao của nền điện môi tăng, hiệu ứng viền cũng gia tăng, dẫn đến sự khác biệt đáng kể giữa các rìa bức xạ và các tần số cộng hưởng thấp hơn, được ký hiệu là є r h.
Dựa vào các công thức đơn giản đã được trình bày, quy trình tính toán thiết kế anten vi dải hình chữ nhật được xác định Giả sử các thông số ban đầu như hằng số điện môi εr, tần số hoạt động f0, và chiều cao lớp điện môi nền h đã được thiết lập.
Ta có trình tự thiết kế như sau:
Bước 1: Để đạt được bức xạ hiệu quả, chiều rộng của patch được tính theo công thức:
Với c : vận tốc ánh sáng , c = 3×10 8 m/s f 0 : Tần số hoạt động của anten
Xác định hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải theo công thức (2-38)
Tính độ tăng chiều dài do hiệu ứng phụ theo công thức (2-39)
Chiều dài thực sự của patch bây giờ có thể tính được bởi:
Mỗi khe bức xạ được mô tả bởi một dẫn nạp Y, bao gồm điện dẫn G và điện nạp B, như thể hiện trong hình 1.10 Các khe được phân loại thành hai loại, 1 và 2, trong đó dẫn nạp tương đương của khe 1 được xác định dựa trên bề rộng vô hạn và tính đồng nhất của khe.
Trong đó cho một khe với bề rộng W hữu hạn:
(a) Miếng patch hình chữ nhật (b) Tải tương đương
Hình 2.10 – Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền
Khe 2 được xem như đồng nhất khe 1, dẫn nạp tương đương của nó
Điện dẫn của một khe đơn có thể được tính bằng cách phân tích trường bức xạ theo mô hình hốc cộng hưởng Công thức tính điện dẫn được biểu diễn như sau: Y 2 = Y 1, G 2 = G 1, B 2 = B 1.
Sử dụng công thức trường điện ta có năng lượng bức xạ :
Vì vậy, điện dẫn ở công thức (1-46), có thể tính bằng
2.2.6 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng
Dẫn nạp được tính bằng cách phản ánh dẫn nạp của khe thứ hai ở đầu ra về đầu vào thông qua công thức phản ánh trở kháng của đường truyền Trong trường hợp lý tưởng, hai khe cần được đặt cách nhau một khoảng bằng /2, trong đó là bước sóng trong điện môi nền.
Tuy nhiên, do hiệu ứng viền chiều dài điện của patch dài hơn chiều dài thực của nó
Do đó, khoảng cách của hai khe nhỏ hơn /2 Nếu sử giảm chiều dài được tính theo công thức (2-39) thì dẫn nạp của khe 2 là:
Vì vậy dẫn nạp vào tại cộng hưởng là
Khi dẫn nạp vào tổng là số thực, thì trở kháng vào tại cộng hưởng cũng là số thực: ¦
Trở kháng vào cộng hưởng được xác định bởi phương trình (1-49), tuy nhiên không tính đến hiệu ứng tương tác giữa hai khe Để bao gồm tác động này, công thức cần được điều chỉnh như sau:
Ảnh hưởng ghép tương hỗ giữa hai anten vi dải
Ảnh hưởng của việc ghép hai anten vi dải chữ nhật đặt kề nhau theo vị trí tương đối là rất quan trọng Hình 1.15 minh họa hai cách sắp xếp các phần tử anten dọc theo hai mặt phẳng E và H, cho thấy sự tương tác giữa chúng Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống anten.
Hình 2.15 - Sắp xếp anten vi dải trong mặt phẳng E và H
Ảnh hưởng ghép chủ yếu xuất phát từ các trường tồn tại dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa điện môi và không khí Những trường này có thể được phân tích thành các sóng không gian với bán kính bức xạ 1/ρ, cùng với các sóng bậc cao hơn có bán kính tương ứng.
Các sóng bề mặt (bán kính 1/ρ) và sóng không gian (1/ρ) cùng với sóng bậc cao (1/ρ²) là những thành phần quan trọng trong việc truyền dẫn sóng Trong khoảng cách nhỏ, sóng không gian và sóng bậc cao chiếm ưu thế, trong khi sóng bề mặt lại nổi bật hơn ở khoảng cách lớn Sóng bề mặt tồn tại và lan truyền trong lớp điện môi, phụ thuộc vào độ dày của lớp này Đối với anten vi dải patch chữ nhật, trường điện từ có hướng lan truyền TM dọc theo mặt phẳng E và TE dọc theo mặt phẳng H Khi các anten phần tử được sắp xếp dọc theo mặt phẳng E, trường giữa các phần tử chủ yếu là TM, dẫn đến sự kích thích sóng bề mặt mạnh hơn và ảnh hưởng ghép lớn hơn.
Với cách sắp xếp anten dọc theo mặt phẳng H, trường ở khoảng cách giữa các phần tử chủ yếu là TE, dẫn đến việc không có sự kích thích mạnh của sóng bề mặt, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng ghép giữa các phần tử Tuy nhiên, khi độ dày của lớp điện môi tăng lên, các kích thích sóng bề mặt TE bậc cao hơn sẽ xuất hiện, làm thay đổi các ảnh hưởng ghép này Đối với trường hợp sắp xếp các phần tử dọc theo mặt phẳng E và phân bố trường mode lẻ bên dưới patch (mode ưu thế), điện dẫn ghép giữa hai anten vi dải chữ nhật sẽ được xác định.
(2-84) Với Y là khoảng cách từ tâm-tới-tâm giữa các khe và J 0 là hàm Bessel loại 1, bậc
0 Thành phần đầu tiên trong công thức trên thể hiện cho điện dẫn ghép giữa hai khe dọc theo mặt phẳng E cách nhau một khoảng Y, còn các thành phần thứ hai và thứ ba thể hiện cho điện dẫn ghép giữa hai khe dọc theo mặt phẳng E cách nhau một khoảng
Điện dẫn ghép trong cách sắp xếp các phần tử dọc theo mặt phẳng H và phân bố trường mode lẻ dưới patch (mode ưu thế) được tính bởi công thức (Y+L) và (Y-L).
0 sin ) cos cos( sin ( cos 1
Khoảng cách Z là khoảng cách từ tâm tới tâm giữa các khe Công thức đề cập đến hai lần điện dẫn ghép giữa hai khe dọc theo mặt phẳng H với khoảng cách Z, và hai lần điện dẫn ghép giữa hai khe dọc theo mặt phẳng E với khoảng cách L.