Thiết kế, mô phỏng và phân tích anten vi dải hình dạng sáu cạnh bậc thang ứng dụng đa dải tần

TỔNG QUAN VỀ ANTEN

Giới thiệu chương

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ đã dẫn đến nhu cầu cấp thiết về băng thông rộng, đa tần và anten nhỏ gọn trong các hệ thống truyền thông không dây hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực thương mại và quân sự.

Khái niệm

Anten là linh kiện điện tử có khả năng bức xạ và thu nhận sóng điện từ, với nhiều loại như anten lưỡng cực và anten mảng Trong hệ thống thông tin vô tuyến, anten thực hiện hai chức năng chính: bức xạ tín hiệu RF từ máy phát dưới dạng sóng vô tuyến và chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF cho máy thu Ngoài ra, anten còn có khả năng hướng năng lượng bức xạ theo các hướng mong muốn và loại bỏ tín hiệu không cần thiết từ các hướng khác Các đặc trưng hướng của anten, bao gồm tăng ích, tính định hướng, mẫu bức xạ và phân cực, là cơ sở để hiểu cách sử dụng anten trong hệ thống thông tin vô tuyến Các đặc trưng như búp sóng, độ dài hiệu dụng và góc mở hiệu dụng được suy ra từ bốn đặc trưng cơ bản này Trở kháng đầu cuối cũng là một yếu tố quan trọng, giúp kết hợp hiệu quả công suất giữa máy phát và anten hoặc giữa anten và máy thu Tất cả các đặc trưng này đều phụ thuộc vào tần số.

Những thuộc tính của anten

Để chọn lựa anten phù hợp, bạn cần hiểu rõ các thuộc tính quan trọng như dạng bức xạ, hướng tính, độ lợi, trở kháng đầu vào, sự phân cực và băng thông của anten.

1.3.1 Độ lợi và tính định hướng của anten

Gain cũng diễn tả cùng một khái niệm nhƣ directivity nhƣng nó còn bao gồm

Độ bức xạ hiệu dụng của anten đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ lợi và mở rộng directivity Một anten lý tưởng sẽ có độ bức xạ hiệu dụng bằng 1 Độ lợi anten có thể 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 nắm rõ quy ước này rất quan trọng, vì nhiều nhà sản xuất thường sử dụng dBi, trong khi một số khác lại dùng dBd.

Hướng tính của anten xác định cường độ bức xạ theo một hướng cụ thể, so với cường độ bức xạ trung bình Nó thể hiện mật độ công suất bức xạ liên quan đến công suất bức xạ được phân bố đồng đều.

Dạng bức xạ của anten phản ánh sự khác biệt về góc bức xạ tại một khoảng cách cố định và được gọi là "hướng" (directivity) Anten thường có một main lobe hay beam, là vùng bức xạ có độ lợi lớn nhất, cùng với các minor lobe, cụ thể là side lobe hoặc 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 thường cung cấp thêm thông tin về beamwidth (độ rộng của vùng bức xạ) của anten.

Công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) được tính bằng cách nhân độ lợi của anten (đơn vị dBd) với công suất từ transmitter Thông thường, các tính toán này sử dụng các hàm log và dB, có nghĩa là độ lợi của anten được cộng thêm vào công suất của transmitter Độ lợi của anten thường được biểu diễn bằng dBi Một thuật ngữ khác liên quan đến công suất bức xạ là Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP), tương tự như ERP nhưng với độ lợi của anten được tính theo bộ bức xạ đẳng hướng.

Sóng điện từ phát ra từ anten ảnh hưởng đến sự quảng bá với các hình dạng khác nhau, phụ thuộc vào phân cực của anten, bao gồm phân cực tuyến tính và phân cực vòng Hầu hết anten WLAN sử dụng phân cực tuyến tính, có thể là phân cực ngang hoặc dọc Phân cực dọc thường phổ biến hơn, nhưng phân cực ngang đôi khi hoạt động tốt hơn Trong khi anten phân cực vòng không phù hợp cho kết nối trong nhà, nó có thể được sử dụng cho wireless bridge Anten phân cực vòng có hai loại: phân cực tay trái và tay phải, tùy thuộc vào hướng quay của vector trường điện Khác với anten phân cực tuyến tính có thể chuyển đổi giữa hai kiểu phân cực khi quay, anten phân cực vòng giữ nguyên phân cực Đối với kết nối LOS, nên sử dụng cùng phân cực ở cả hai đầu kết nối.

Sự bức xạ hiệu dụng của một anten được định nghĩa là tỷ số 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 các thiết bị RF như radio, cáp và anten đều có trở kháng, là tỷ số giữa điện áp và dòng điện Để tối đa hóa công suất truyền từ radio đến anten, trở kháng đầu vào của anten cần phải khớp với trở kháng của radio và cáp Nếu không khớp, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nguồn, trong khi phần còn lại được truyền đến anten Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR) mô tả mức độ phản xạ này; VSWR bằng 1 nghĩa là không có phản xạ, và khi VSWR tăng, điều này cho thấy có sự phản xạ năng lượng.

Khi mức tăng cường lên đến 4, sự phản xạ tín hiệu sẽ gia tăng Nếu tỷ số sóng đứng (VSWR) cao kết hợp với công suất lớn, điều này có thể dẫn đến những tình huống nguy hiểm, chẳng hạn như khi sử dụng điện áp cao trong đường truyền, thậm chí có thể gây ra hiện tượng bắn tia lửa điện Tuy nhiên, nguy cơ này sẽ được giảm thiểu nếu bạn sử dụng công suất thấp trong quá trình triển khai mạng WLAN.

Băng thông của anten được định nghĩa là vùng tần số mà anten hoạt động hiệu quả, thường được xác định bởi tần số tối đa và tần số tối thiểu Hiệu suất chấp nhận được trong ngữ cảnh này có nghĩa là các đặc tính của anten, như bức xạ và trở kháng đầu vào, không bị thay đổi khi hoạt động trong dải tần số đó.

Khi lựa chọn anten, bạn sẽ nhận thấy rằng nhiều thuộc tính của anten liên quan chặt chẽ với nhau, và việc tìm kiếm anten với tất cả các thuộc tính tối ưu thường là không khả thi Chẳng hạn, nếu bạn chọn beamwidth rộng, bạn sẽ phải hy sinh độ lợi Tương tự, anten băng rộng có thể có dạng bức xạ rất khác nhau Do đó, việc xác định thuộc tính nào quan trọng cho triển khai của bạn là điều cần thiết.

Những thông số kỹ thuật của anten

Dải tần làm việc là một trong những tham số kỹ thuật quan trọng của anten vi dải Việc lựa chọn dải tần phù hợp với yêu cầu sử dụng là rất cần thiết trong quá trình thiết kế anten vi dải.

Dải tần của anten là khoảng tần số mà các thông số tính toán của anten vẫn nằm trong giới hạn cho phép, được xác định là mức nửa công suất Điều này có nghĩa là các tần số lệch so với tần số chuẩn f0 của anten không làm giảm công suất bức xạ quá 50% Các tần số trong dải tần này được gọi là tần số công tác của anten.

Trong thực tế dải tần thường được chia làm 4 nhóm chính sau:

- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn)

- Anten dải tần tương đối rộng

- Anten dải tần rộng max min

- Anten dải tần rất rộng max min f 4 f  (1.4)

1.4.2 Trở kháng vào của anten

Việc đánh giá xem một anten vi dải có đáp ứng yêu cầu hay không phụ thuộc vào giá trị trở kháng vào của anten Trở kháng vào được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm đầu vào, hoặc tỉ số giữa các thành phần điện trường và từ trường tương ứng Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào trở kháng vào tại đầu vào của anten, được xác định theo các tiêu chí cụ thể.

Trong đó: Z A là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

R A là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)

X A là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Nói chung, thành phần điện trở bao gồm 2 thành phần là:

Trong đó: R R là trở kháng bức xạ của anten;

R L trở kháng mất mát của anten

Trở kháng vào của anten phụ thuộc vào tần số, vì vậy anten chỉ hoạt động hiệu quả với đường tiếp điện trong một dải tần nhất định.

Trở kháng vào của anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, phương pháp tiếp điện và ảnh hưởng của môi trường xung quanh Do tính phức tạp của các loại anten, chỉ một số ít đã được nghiên cứu và phân tích một cách rõ ràng Đối với các anten khác, việc xác định trở kháng vào thường được thực hiện thông qua các thí nghiệm thực tế.

Hầu hết các anten chỉ hoạt động hiệu quả trong một dải tần nhất định Do đó, để tối ưu hóa việc truyền năng lượng từ máy phát đến anten, cần phải phối hợp trở kháng giữa đầu ra của máy phát và đầu vào của anten.

Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, với hiệu suất là thông số quan trọng nhất Hiệu suất của anten e cd được xác định bằng tỉ số giữa công suất bức xạ P bx và công suất máy phát đưa vào anten P A.

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten Đối với anten có tổn hao, công suất bức xạ P bx nhỏ hơn công suất đầu vào P A, dẫn đến hiệu suất e cd nhỏ hơn 1 Công suất tổn hao được ký hiệu là P th.

P A  P bx  P th (1.8) Đại lƣợng công suất bức xạ và công suất tổn hao đƣợc xác định bởi giá trị điện trở bức xạ R bx và R th , vậy ta có:

Từ biểu thức trên ta viết lại thành: bx bx bx t cd h bx th e P R

Nhƣ vậy ta thấy hiệu suất của anten vi dải phụ thuộc vào giá trị điện trở bức xạ

Khi trở kháng của tải và trở kháng đặc tính của đường truyền không đồng nhất, sẽ xảy ra hiện tượng sóng phản xạ từ tải trở về nguồn Sự tương tác giữa sóng tới và sóng phản xạ sẽ tạo ra những hiệu ứng đáng chú ý trong hệ thống truyền dẫn.

7 thoa nhau, kết quả là trên đường truyền sẽ xuất hiện sóng đứng

Hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) là tỷ số giữa giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp sóng đứng.

SWR được đo trên hướng lan truyền sóng, là một đại lượng vô hướng biểu thị mức độ mất phối hợp trở kháng giữa tải và đường truyền

Khi tải và đường truyền có sự phối hợp trở kháng hoàn hảo, sẽ không xuất hiện sóng phản xạ, dẫn đến việc không có sóng đứng Trong trường hợp này, hệ số sóng đứng đạt giá trị 1.

Trong trường hợp xấu nhất, khi tải gặp đoạn đầu cuối hở hoặc ngắn mạch, toàn bộ sóng sẽ bị phản xạ ngược lại, dẫn đến hệ số sóng đứng bằng vô cùng Nếu hệ số sóng đứng nằm trong khoảng từ 1 đến 2, anten được coi là hoạt động tốt Ngược lại, nếu hệ số sóng đứng lớn hơn 2, anten sẽ hoạt động không hiệu quả.

Độ lợi của anten, hay hệ số tăng ích (G), là một đơn vị quan trọng để mô tả hiệu suất và khả năng hướng tính của anten Hệ số này liên quan đến hệ số định hướng, giúp tính toán hiệu suất tổng thể của anten, trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện đặc tính hướng tính mà không phản ánh đầy đủ hiệu suất.

Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau Giả thiết rằng công suất cung cấp cho cả hai anten là bằng nhau, trong đó anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, tức là không có tổn hao.

Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten

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 với patch kim loại của anten Việc lựa chọn phương pháp cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn là yếu tố quan trọng nhất quyết định kỹ thuật cấp nguồn cho anten.

Hợp trở kháng giữa hai phần có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền tải tín hiệu Ngoài ra, quá trình chuyển đổi trở kháng và hiện tượng uốn cong có thể tạo ra bức xạ rò và làm giảm chất lượng sóng mặt.

1.5.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Trong anten vi dải, patch được coi là một đường truyền vi dải hở, cho phép thiết kế cả hai trên cùng một mạch Việc kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là lựa chọn tự nhiên và thích hợp Tuy nhiên, kỹ thuật này gặp phải một số hạn chế, như sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước của nó đáng kể so với mặt bức xạ Hình 1.1 minh họa hình dạng và cách cấp nguồn bằng đường truyền vi dải cho anten vi dải, đây là phương pháp cấp nguồn phổ biến nhất trong anten vi dải.

Hình 1.1 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải [1]

1.5.2 Cấp nguồn bằng cáp đồng trục

Một trong những phương pháp truyền tải công suất cao tần hiệu quả là sử dụng cáp đồng trục để cấp nguồn Trong phương pháp này, phần lõi của cáp được kết nối với mặt bức xạ, trong khi phần vỏ ngoài được nối với đất Hình 1.2 minh họa cấu trúc của phương pháp này Ưu điểm lớn nhất của cấp nguồn bằng cáp đồng trục là thiết kế đơn giản và khả năng cấp nguồn linh hoạt tại mọi vị trí trên mặt bức xạ, giúp dễ dàng điều chỉnh trở kháng.

Tuy nhiên cách này có nhƣợc điểm là:

- Thứ nhất vì dùng đầu cấp nguồn đồng trục nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng

Việc cấp nguồn đồng trục cho một dãy vào thứ hai sẽ yêu cầu tăng số lượng đầu nối, dẫn đến khó khăn trong chế tạo và giảm độ tin cậy.

Để tăng băng thông của anten, cần nâng cao bề dày lớp nền và chiều dài của cáp đồng trục, điều này dẫn đến sự gia tăng bức xạ rò và điện cảm của cáp đồng trục.

Patch Điểm tiếp xúc điện

Hình 1.2 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục [1]

1.5.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled

Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe Aperture coupled là một kỹ thuật phổ biến, giúp loại bỏ bức xạ không cần thiết từ đường cấp nguồn vi dải.

Patch khe Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled [1]

Phương pháp cấp nguồn ghép khe Aperture coupled, như mô tả trong Hình 1.3, bao gồm cấu trúc hai lớp điện môi với mặt bức xạ.

Anten 10 được thiết kế với khe hở nhỏ ở giữa và đường truyền cấp nguồn 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 điện môi cao để tối ưu hóa bức xạ Tuy nhiên, phương pháp cấp nguồn này khó thực hiện do yêu cầu nhiều lớp, dẫn đến tăng độ dày của anten và thường chỉ phù hợp cho băng hẹp.

1.5.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled

Phương pháp ghép gần Proximity Coupled bao gồm hai lớp điện môi, với mặt bức xạ nằm ở lớp điện môi trên và đường cấp nguồn đặt ở giữa hai lớp Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng giảm thiểu tối đa sự bức xạ từ đường cấp nguồn, đồng thời cung cấp băng thông rộng hơn.

Patch Đường cấp nguồn vi dải

Hình 1.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần Proximity Coupled [1]

Phương pháp ghép điện từ, hay còn gọi là ghép điện dung giữa patch và đường cấp nguồn, cho phép tối ưu hóa băng thông và giảm bức xạ rò ở đầu cuối hở của đường truyền thông qua việc lựa chọn thông số của hai lớp nền Để đạt được hiệu quả tốt nhất, bề dày của lớp điện môi thứ hai thường mỏng hơn, tuy nhiên điều này cũng đồng nghĩa với việc bức xạ sẽ lớn hơn Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, phương pháp này lại phức tạp hơn trong quá trình chế tạo và sản xuất.

Công nghệ chuyển mạch anten

1.6.1 Bộ chuyển mạch PIN diode Để sử dụng các PIN diode trong các anten thì các đặc tính điện của diode phải đƣợc chỉ ra đầu tiên Các PIN diode có các đặc tính hoạt động rất đặc biệt, do đó chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống RF

PIN diode là một loại thiết bị bán dẫn được cấu tạo từ ba lớp, bao gồm hai lớp P và N được pha tạp mạnh, với một lớp bán dẫn tinh khiết I dày hơn nằm ở giữa Việc sản xuất lớp bán dẫn tinh khiết lý tưởng vẫn gặp khó khăn do hạn chế trong công nghệ chế tạo.

Miền I của diode PIN có thể là bán dẫn loại P với tạp chất rất ít, hoặc là bán dẫn loại N với pha tạp ít Cấu tạo của diode PIN được minh họa trong hình 1.5, trong khi ký hiệu mạch điện của nó được thể hiện trong hình 1.6, với cực P được gọi là cực Anode (cực dương) và cực N được gọi là cực Cathode (cực âm).

Hình 1.6 Ký hiệu mạch điện của PIN diode [2]

PIN diode hoạt động như một điện trở điều khiển dòng điện, đặc biệt hiệu quả ở tần số cao và sóng cực ngắn Nó được sử dụng như một bộ chuyển mạch và bộ hạn chế, với thời gian chuyển mạch nhanh và khả năng điều khiển dòng điện cao, làm cho PIN diode trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng mạch sóng cực ngắn.

1.6.2 Bộ chuyển đổi mạch diode biến dung

Diode biến dung, hay còn gọi là Varicap, là linh kiện bán dẫn có điện dung thay đổi theo điện áp tại mối nối p-n Varicap được ứng dụng phổ biến trong các bộ thu phát sóng VHF và UHF, giúp thay đổi tần số trong các bộ cộng hưởng để lựa chọn kênh sóng, nhân và chia tần số, cũng như tự động kiểm soát tần số và điều chỉnh AM, FM Ngoài ra, diode biến dung còn được sử dụng trong các máy đo tần số cao và máy đo cường độ trường, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng thông tin liên lạc cần sự điều chỉnh.

Hình 1.7 Diode biến dung/Diode varicap [2]

Điện dung của Varicap thay đổi tùy theo phân cực thuận và phân cực ngược Khi hoạt động trong vùng nghịch, Varicap hoạt động giống như một tụ điện có giá trị picoFarad (pF), trong khi đó, khi dẫn điện trong vùng thuận, nó hoạt động như một thiết bị định chiều dòng điện.

Diode biến dung hoạt động bằng cách dẫn điện khi được kích hoạt với một điện thế âm (thiên áp), tạo ra điện áp âm có khả năng làm cho vùng biên bị đánh thủng Khi thiên áp tăng, vùng biên bị đánh thủng sẽ mở rộng, tương ứng với một điện dung C khoảng pF Chiều dài của vùng thủng thay đổi theo điện thế kích hoạt, dẫn đến sự biến đổi của điện dung Tuy nhiên, chiều dài vùng đánh thủng có giới hạn và không thể tăng mãi, nên đến một điện thế nhất định, hiện tượng đánh thủng sẽ ngừng xảy ra Thông thường, chiều dài vùng đánh thủng tỉ lệ thuận với căn bậc hai của điện áp, trong khi điện dung lại tỉ lệ nghịch với chiều dài của vùng thủng, dẫn đến việc điện dung tỉ lệ nghịch với căn bậc hai điện áp Hiện tượng đánh thủng này làm cho điện dung của Varicap thay đổi theo điện thế tương ứng.

1.6.3 Hệ vi cơ điện MEMS

Bộ chuyển mạch MEMS là thiết bị sử dụng chuyển động cơ học để tạo ra mạch ngắn hoặc mạch hở trong các đường truyền siêu cao tần, hoạt động ở tần số lên đến sóng milimet Chúng yêu cầu điện áp điều khiển một chiều cao và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bộ dịch pha trong giàn định pha, chuyển mạch, mạng tự cấu hình và bộ dao động năng lượng thấp Mặt cắt ngang của bộ chuyển mạch MEMS được minh họa trong hình 1.8.

Hình 1.8 Mặt cắt ngang của bộ chuyển mạch điện dung MEMS [2]

Kết luận chương

Chương 1 tập trung vào việc khám phá anten, bao gồm khái niệm, thuộc tính và thông số kỹ thuật của anten Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến các kỹ thuật cấp nguồn cho anten và công nghệ chuyển mạch anten Những nội dung này cung cấp cơ sở lý thuyết cần thiết cho việc nghiên cứu anten vi dải.

ANTEN VI DẢI

Giới thiệu chương

Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ, nhu cầu về băng thông rộng, đa tần và anten nhỏ gọn đang ngày càng trở nên cần thiết trong các hệ thống truyền thông không dây hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực thương mại và quân sự Việc sử dụng anten đã phần nào đáp ứng được những yêu cầu này, vì mỗi anten hoạt động ở băng tần đơn hoặc kép và phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Anten vi dải (Microstrip antenna - MSA) được Deschamps đề xuất lần đầu tiên vào năm 1953, nhưng phải đến 20 năm sau mới có mẫu thực tế Trong những năm 1970, sự phát triển của anten vi dải diễn ra nhanh chóng nhờ vào các vật liệu nền chất lượng, mô hình lý thuyết cải tiến và kỹ thuật chế tạo tiên tiến Howell và Munson là những người đầu tiên phát triển anten vi dải Từ đó, nghiên cứu và phát triển anten vi dải đã mở rộng, khai thác nhiều lợi ích như kích thước nhỏ, giá thành thấp và khả năng tương thích với mạch tích hợp, từ đó đa dạng hóa ứng dụng của chúng.

Giới thiệu anten vi dải

Anten vi dải là loại anten phổ biến hiện nay nhờ vào nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, dễ chế tạo và khả năng định hướng cao, đồng thời có thể tích hợp với công nghệ IC Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số nhược điểm như băng thông hẹp, độ lợi thấp, suy hao điện trở lớn và hiệu suất thấp, dẫn đến bức xạ dư thừa Do đó, khi phân tích anten dipole vi dải, việc lựa chọn mô hình cấp nguồn là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và băng thông của anten.

2.3 Ƣu, nhƣợc điểm của anten vi dải

Anten vi dải có nhiều ƣu điểm so với các anten truyền thống Sau đây là các ƣu điểm chính của anten vi dải so với anten truyền thống:

- Kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay

- Giá thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in

- Dễ dàng tích hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm

Anten vi dải có đặc tính linh động cao, cho phép thay đổi hình dạng và các thông số như kích thước, chất liệu điện môi, từ đó ảnh hưởng đến các đặc tính như tần số cộng hưởng, sự phân cực, đồ thị phương hướng và băng thông Sự đa dạng này giúp anten vi dải phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

- Khả năng tạo ra phân cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện, hình dạng của anten

- Các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể chế tạo đồng thời với cấu trúc anten

- Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế:

- Hiệu suất bức xạ thấp

- Hầu hết anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian trên mặt phẳng đất

- Khó có thể đạt đƣợc sự phân cực thuần

- Sự bức xạ do các mối nối và tiếp điện

- Kích thích sóng bề mặt

Các anten vi dải có hệ số phẩm chất Q cao, cho thấy tổn hao liên quan đến anten Q lớn dẫn đến băng thông hẹp và hiệu suất thấp, nhưng có thể giảm bằng cách tăng chiều dày của tấm điện môi Tuy nhiên, khi chiều dày tăng, một phần công suất tổng từ nguồn sẽ được cung cấp cho sóng bề mặt, gây ra tổn hao công suất không mong muốn và làm suy giảm đặc tính của anten Để giảm thiểu sóng bề mặt, có thể sử dụng cấu trúc photonic bandgap Ngoài ra, các vấn đề như độ tăng ích thấp và khả năng điều khiển công suất thấp có thể được cải thiện bằng cách áp dụng cấu hình mảng cho các phần tử.

2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một miếng vá bức xạ nhỏ trên một mặt của lớp đế điện môi và một mặt phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng trên mặt còn lại Miếng bức xạ có chiều rộng W và chiều dài L, với L gần bằng λ e /2, trong đó λ e là chiều dài bước sóng hiệu dụng trong môi trường tấm điện môi Hình 2.1 minh họa anten vi dải với tấm bức xạ hình chữ nhật và tiếp điện bằng đường vi dải.

Anten vi dải hình chữ nhật có kích thước tấm bức xạ được xác định theo công thức cơ bản, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng phát sóng của anten.

17 Độ dài ∆L ảnh hưởng của hiệu ứng đường viền ta có:

( )( ) (2.3) Chiều dài hiệu dụng L eff đƣợc tính nhƣ sau:

Khi đó, chiều dài thực của miếng vá patch sẽ là:

Tấm điện môi là yếu tố quan trọng trong thiết kế anten vi dải, với hằng số điện môi thường nằm trong khoảng 2.2 đến 12 Sử dụng tấm điện môi dày và có hằng số điện môi thấp giúp anten đạt hiệu suất bức xạ tốt và băng thông rộng, nhưng kích thước anten sẽ tăng Ngược lại, tấm điện môi có hằng số điện môi cao sẽ giảm kích thước anten, nhưng đồng thời cũng dẫn đến suy hao lớn hơn và hiệu suất bức xạ cùng băng thông giảm.

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Bức xạ của anten vi dải có thể giảm nếu sử dụng đế điện môi mỏng và có hệ số điện môi tương đối thấp, điều này cải thiện hiệu suất bức xạ Thông thường, anten vi dải sử dụng nền điện môi với hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten có thể xác định qua phân bố trường giữa mặt bức xạ và mặt phẳng đất, hoặc qua phân bố dòng điện trên bề mặt Khi anten vi dải được cấp nguồn cao tần, năng lượng cung cấp cho mặt bức xạ dẫn đến sự phân bố điện tích ở cả hai mặt và trên bề mặt đất Các lực tương tác giữa các điện tử cùng dấu gây ra sự dịch chuyển điện tích từ bề mặt dưới lên bề mặt trên, tạo ra vectơ mật độ dòng mặt dưới J b trên bề mặt của mặt bức xạ.

18 vectơ mật độ dòng mặt trên J t Hình 2.2 thể hiện cấu tạo, sự phân bố và hướng di chuyển của các điện tích trong anten vi dải hình chữ nhật

Hình 2.2 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật [2]

Trong hầu hết các anten vi dải, tỷ số hwlà rất bé, dẫn đến việc lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế và sự tập trung điện tích chủ yếu nằm dưới mặt bức xạ Chỉ một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa lên mặt trên của mặt bức xạ, tạo thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa Do đó, để đơn giản hóa tính toán, ta có thể xấp xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là không và có thể hình thành các bức tường từ xung quanh chu vi của mặt bức xạ Giả định này càng hợp lý hơn khi đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi lớn Bên cạnh đó, do bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, trường biến thiên theo độ cao gần như không đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt bức xạ.

Mặt bức xạ có thể được coi là mô hình của một hốc cộng hưởng, với các bức xạ điện trường nằm ở trên và dưới bề mặt, do điện trường vuông góc với mặt bức xạ Bốn bức tường từ được đặt dọc theo các rìa của mặt bức xạ, vì trường từ gần như bằng không tại khu vực này.

2.5 Cơ chế bức xạ của anten vi dải

Sự bức xạ của anten vi dải phụ thuộc vào phân bố trường giữa miếng vá kim loại và mặt phẳng đất, đồng thời có thể được hiểu như sự phân bố dòng điện trên bề mặt miếng vá Khi miếng vá kim loại được cấp điện, quá trình này sẽ diễn ra.

Sự phân bố điện tích trên bề mặt của miếng vá kim loại và mặt đất là điều quan trọng trong nghiên cứu điện trường Hình 2.3 minh họa sự phân bố điện trường của từ trường ngang mode TM10 trong các anten vi dải hình chữ nhật.

Hình 2.3 Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải [2]

Lực đẩy từ các điện tích ở bề mặt dưới của tấm vá kim loại làm di chuyển một số điện tích lên mặt trên, tạo ra mật độ dòng điện Jb và Js Với tỉ số h/W rất nhỏ, lực hút giữa các điện tích trái dấu tập trung phần lớn điện tích và dòng điện ở phía dưới tấm vá Tuy nhiên, lực đẩy giữa các điện tích dương tạo ra mật độ điện tích lớn xung quanh các mép biên, và các trường biên do chúng tạo ra chịu trách nhiệm cho việc bức xạ năng lượng ra không gian Hình 2.4 minh họa các trường biên trong anten vi dải.

Anten vi dải hình chữ nhật có trường điện không đổi theo chiều rộng W và thay đổi pha theo chiều dài L Nó có thể được xem như hai khe bức xạ song song, cách nhau bởi chiều dài L, thường là bằng nửa bước.

Hai khe phát sóng tạo ra tổng các trường biên, dẫn đến hiện tượng triệt tiêu lẫn nhau dọc theo biên của anten vi dải khi chúng có cùng biên độ và lệch pha 180 độ.

2.6 Các phương pháp tiếp điện

Phương pháp tiếp điện cho anten vi dải rất đa dạng, bao gồm tiếp điện trực tiếp qua đầu dò đồng trục hoặc đường vi dải Ngoài ra, anten vi dải còn có thể được tiếp điện gián tiếp thông qua ghép nối điện từ trường, ghép nối qua khe, hoặc bằng ống dẫn sóng đồng phẳng, mà không cần tiếp xúc kim loại trực tiếp giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ Kỹ thuật tiếp điện này không chỉ ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào và đặc tính của anten, mà còn là một thông số thiết kế quan trọng.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Anten vi dải là một thiết bị đơn giản bao gồm một miếng vá bức xạ nhỏ nằm trên bề mặt của lớp đế điện môi, trong khi mặt còn lại được nối đất bằng chất dẫn điện lý tưởng Miếng bức xạ có kích thước chiều rộng W và chiều dài L, với L gần bằng λ e /2, trong đó λ e là độ dài bước sóng hiệu dụng trong môi trường tấm điện môi Hình 2.1 minh họa một anten vi dải có tấm bức xạ hình chữ nhật và được tiếp điện qua đường vi dải.

Anten vi dải hình chữ nhật có kích thước tấm bức xạ được xác định theo công thức cơ bản, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng phát sóng của anten.

17 Độ dài ∆L ảnh hưởng của hiệu ứng đường viền ta có:

( )( ) (2.3) Chiều dài hiệu dụng L eff đƣợc tính nhƣ sau:

Khi đó, chiều dài thực của miếng vá patch sẽ là:

Có nhiều loại tấm điện môi cho thiết kế anten vi dải, với hằng số điện môi thường từ 2.2 đến 12 Sử dụng tấm điện môi dày và hằng số điện môi thấp giúp anten có hiệu suất bức xạ tốt và băng thông rộng, nhưng kích thước anten sẽ lớn hơn Ngược lại, tấm điện môi với hằng số điện môi cao giúp giảm kích thước anten, nhưng đi kèm với suy hao lớn hơn và hiệu suất bức xạ cùng băng thông giảm.

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Bức xạ của anten vi dải có thể được cải thiện đáng kể khi sử dụng đế điện môi mỏng và có hệ số điện môi tương đối thấp, giúp nâng cao hiệu suất bức xạ Trong thiết kế anten vi dải, việc chọn nền điện môi với hệ số từ thẩm thấp là điều thường gặp Bức xạ từ anten có thể được xác định qua phân bố trường giữa mặt bức xạ và mặt phẳng đất, hoặc dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt Khi anten vi dải được cấp nguồn cao tần, năng lượng cung cấp tạo ra sự phân bố điện tích trên mặt bức xạ và mặt phẳng đất Dưới tác động của các lực tương tác giữa các điện tử cùng dấu, một số điện tích ở rìa mặt bức xạ sẽ di chuyển từ bề mặt dưới lên bề mặt trên, từ đó hình thành vectơ mật độ dòng mặt dưới J b.

18 vectơ mật độ dòng mặt trên J t Hình 2.2 thể hiện cấu tạo, sự phân bố và hướng di chuyển của các điện tích trong anten vi dải hình chữ nhật

Hình 2.2 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình chữ nhật [2]

Trong các anten vi dải, tỷ số hwl thường rất nhỏ, dẫn đến lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế và sự tập trung điện tích chủ yếu xảy ra bên dưới mặt bức xạ Chỉ một lượng nhỏ dòng điện di chuyển từ rìa mặt bức xạ lên trên, tạo thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa Để đơn giản hóa tính toán, chúng ta có thể giả định rằng từ trường tiếp tuyến là không và có thể hình thành các bức tường từ xung quanh chu vi mặt bức xạ Giả định này hợp lý hơn khi đế điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn Tương tự, do bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng, trường biến thiên dọc theo độ cao gần như không đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt bức xạ.

Mặt bức xạ có thể được coi là mô hình của một hốc cộng hưởng, với trường điện vuông góc và các bức tường từ dọc theo các rìa, nơi trường từ gần như bằng không.

Cơ chế bức xạ của anten vi dải

Sự bức xạ của anten vi dải phụ thuộc vào phân bố trường giữa miếng vá kim loại và mặt phẳng đất, đồng thời có thể được mô tả qua phân bố dòng điện trên bề mặt miếng vá Khi miếng vá kim loại được tiếp điện, quá trình này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất bức xạ của anten.

Sự phân bố điện tích trên bề mặt của miếng vá kim loại và mặt phẳng đất có sự khác biệt giữa hai mặt Hình 2.3 minh họa sự phân bố điện trường của từ trường ngang mode TM10 trong các anten vi dải hình chữ nhật.

Hình 2.3 Sự phân bố điện tích và mật độ dòng điện trên anten vi dải [2]

Lực đẩy từ các điện tích ở bề mặt dưới của tấm vá kim loại làm cho một số điện tích xung quanh ở cạnh được đẩy lên mặt trên, tạo ra mật độ dòng điện J b và J s Với tỉ số h/W rất nhỏ, lực hút mạnh giữa các điện tích trái dấu tập trung phần lớn điện tích và dòng điện ở phía dưới tấm vá kim loại Tuy nhiên, lực đẩy giữa các điện tích dương tạo ra mật độ điện tích lớn quanh các mép biên, và các trường biên do các điện tích này tạo ra chịu trách nhiệm cho việc bức xạ năng lượng ra không gian Hình 2.4 minh họa các trường biên trong anten vi dải.

Anten vi dải hình chữ nhật có trường điện gần như không đổi theo chiều rộng W và thay đổi pha theo chiều dài L của miếng vá Có thể hình dung anten này như hai khe bức xạ song song, cách nhau bởi chiều dài L, thường được thiết kế bằng nửa bước.

Hai khe phát sóng tạo ra tổng các trường biên tại vi dải nửa bước sóng, dẫn đến hiện tượng triệt tiêu lẫn nhau dọc theo biên của anten khi chúng có cùng biên độ và lệch pha 180 độ.

Các phương pháp tiếp điện

Phương pháp tiếp điện cho anten vi dải rất đa dạng, bao gồm tiếp điện trực tiếp qua đầu dò đồng trục hoặc đường vi dải, cũng như tiếp điện gián tiếp thông qua ghép nối điện từ trường, ghép nối qua khe, hoặc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng Cách tiếp điện này không yêu cầu tiếp xúc kim loại trực tiếp giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ Kỹ thuật tiếp điện có ảnh hưởng lớn đến trở kháng đầu vào và đặc tính của anten, đồng thời là một thông số thiết kế quan trọng.

2.6.1 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục Đầu nối đồng trục được hàn vào phiến kim loại như hình dưới và đục xuyên qua lớp điện môi, đầu ra ở mặt kia của lớp điện môi, tức tấm bức xạ và đƣợc cắm vào một connector thường có trở kháng 50 ohm.Ưu điểm của phương pháp này là đầu dò có thể đặt ở bất kì vị trí nào trong vùng diện tích của phiến kim loại bức xạ và do đó dễ dàng điều chỉnh trở kháng vào của anten Nhƣợc điểm là cần phải đục lỗ qua đế điện môi, mặt khác phần mối nối sẽ trồi lên tấm bức xạ và làm mất tính phẳng của tấm bức xạ (ảnh hướng nhiều tới sự bức xạ, khó phân tích và đưa ra lời giải cho mô hình bức xạ chính xác vì nó làm điều kiện biên trở nên rất phức tạp) Đồng thời, vị trí bất kì của đầu nối đồng trục (để đạt đƣợc trở kháng vào mong muốn) cũng làm mất tính đối xứng của antenna và do đó làm mất đi tính đối xứng của đồ thị phương hướng

Hình 2.5 Tiếp điện bằng đầu dò đồng trục [2]

2.6.2 Tiếp điện bằng đường vi dải

Phương pháp này mang lại lợi ích là có thể khắc đường vi dải trên cùng một tấm điện môi với tấm bức xạ, giúp duy trì cấu trúc phẳng của anten Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là bức xạ từ đường tiếp điện có thể ảnh hưởng đến trường bức xạ của anten, đặc biệt khi kích thước của đường tiếp điện lớn hơn nhiều so với kích thước của tấm bức xạ.

Hình 2.6 Tiếp điện bằng đường vi dải [2]

Các tấm điện môi dày thường được sử dụng để tăng băng thông, nhưng cả hai phương pháp tiếp điện đều gặp khó khăn Trong tiếp điện bằng đầu dò đồng trục, việc tăng chiều dài đầu dò dẫn đến cảm kháng cao hơn, gây khó khăn trong tiếp điện Còn trong tiếp điện bằng đường vi dải, việc tăng độ dày tấm nền làm tăng bề rộng của đường vi dải, dẫn đến bức xạ không mong muốn từ đường tiếp điện.

Trong phương pháp này, đường tiếp điện vi dải được đặt giữa phiến kim loại bức xạ và tấm bức xạ, với hai tấm điện môi có hằng số điện môi khác nhau ngăn cách chúng Việc lựa chọn các tấm điện môi này giúp nâng cao hiệu năng cho từng thành phần và cải thiện hiệu suất toàn bộ anten Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là yêu cầu bố trí hợp lý của hai lớp, và độ dày của anten sẽ tăng lên do sự hiện diện của chúng.

Hình 2.7 Tiếp điện bằng ghép nối gần [3]

Một phương pháp tiếp điện gián tiếp là sử dụng ghép nối khe, trong đó trường từ đường tiếp điện vi dải được ghép cặp với tấm bức xạ qua một khe nhỏ cắt trong mặt phẳng đất Khe ghép thường nằm ở trung tâm phía dưới tấm bức xạ, giúp giảm phân cực ngang nhờ tính đối xứng Hình dạng, kích thước và vị trí của khe ảnh hưởng đến khả năng kết nối từ đường tiếp điện vi dải đến tấm bức xạ Khe kết nối thường đủ nhỏ để tăng băng thông và giảm bức xạ ra phía sau Các tham số của hai tấm nền có thể được chọn riêng biệt nhằm tối ưu hiệu suất của anten.

Hình 2.8 Ghép nối qua khe [3]

2.6.5 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng

Trong phương pháp này ống dẫn sóng đồng phẳng được khắc vào mặt phẳng đất của anten vi dải

Hình 2.9 Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng [3]

23 Ống dẫn sóng đồng trục đƣợc thiết kế có trở kháng đặc trƣng là Z 0 Ω

Hình 2.10 Ống dẫn sóng đồng trục [3]

Giả sử t rất nhỏ và h lớn hơn w, trong đó t là bề dày của tấm kim loại, h là bề dày của tấm điện môi, k được tính bằng w/(w+2s), với w là độ rộng dải trung tâm, s là độ rộng khe, và εr là hằng số điện môi tương đối của tấm điện môi.

Các loại anten vi dải thông dụng

2.7.1 Anten vi dải dạng tấm ( Microstrip Patch Antenna)

Anten vi dải dạng tấm bao gồm một tấm dẫn điện đặt trên một tấm điện môi, với tấm dẫn điện có thể có nhiều hình dạng khác nhau Hình ảnh dưới đây mô tả một số dạng đơn giản của anten vi dải dạng tấm.

Hình 2.11 Một số hình dạng của phiến kim loại [3]

2.7.2 Anten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna)

Anten lưỡng cực vi dải bao gồm các tấm dẫn điện tương tự như anten mạch dải dạng tấm, nhưng đặc biệt hơn, nó có các tấm đối xứng ở cả hai phía của tấm điện môi.

Hình 2.12 Cấu trúc anten dipole mạch dải

2.7.3 Anten khe vi dải (Print Slot Antenna)

Anten khe vi dải gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất Khe có thể có bất cứ hình dạng nào giống nhƣ của anten dạng tấm

Hình 2.13 Các dạng cơ bản của anten khe vi dải [4]

2.7.4 Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna)

Hình 2.14 Các dạng cơ bản của anten vi dải sóng chạy [4]

2.7.5 Anten vi dải đơn cực (Printed Monopoles Antenna)

Anten đơn cực được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, với cấu trúc đơn giản là cánh tay dẫn điện dài L nằm trên mặt phẳng dẫn điện Để hiểu rõ hơn về anten đơn cực, cần xem xét các khái niệm cơ bản liên quan đến anten lưỡng cực (dipole), đặc biệt là đặc điểm của dipole.

Một số loại anten vi dải chính:

Hình 2.15 Mô hình anten đơn cực vi dải đơn giản [4]

Hình 2.16 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ L [4]

(a) (b) Hình 2.17 Mô hình anten đơn cực vi dải chữ C (a) Loại ngắn (b) Loại dài [4]

2.7.6 Anten phẳng PIFA (Planar Inverted F Antenna)

Anten IFA (Inverted F Antenna) là một loại ăng-ten đặc trưng với cấu trúc bao gồm một phần tử phẳng hình chữ nhật đặt trên mặt đất, kèm theo một tấm ngắn mạch hoặc pin ngắn mạch, và một cơ chế tiếp điện cho phần tử phẳng.

Anten IFA là một loại biến thể của anten monopole, trong đó phần trên được gập xuống song song với mặt phẳng đất Hành động này giúp giảm chiều cao của anten mà vẫn giữ được chiều dài cộng hưởng, đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Điện dung xuất hiện ở trở kháng đầu vào của anten có thể được bù đắp bằng cách sử dụng chốt ngắn mạch, với một đầu của chốt được kết nối đến mặt phẳng đất thông qua lỗ via.

Mặt phẳng đất của anten đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của anten

Sự kích thích dòng điện trong anten IFA tạo ra dòng điện trong mặt phẳng đất, dẫn đến hình thành trường điện từ nhờ tương tác giữa IFA và ảnh của nó dưới mặt phẳng đất Anten này hoạt động như một bộ phản xạ năng lượng hoàn hảo chỉ khi mặt phẳng đất có kích thước lớn hơn hoặc vô hạn so với monopole Tuy nhiên, trong thực tế, các lớp kim loại có kích thước tương đương với monopole và đóng vai trò như một phần của anten dipole.

PIFA, hay còn gọi là Phased Inverted F Antenna, là một biến thể của anten IFA, trong đó phần tử bức xạ dây kim loại được thay thế bằng một mặt phẳng nhằm mở rộng băng thông Một số ưu điểm nổi bật của PIFA bao gồm khả năng cải thiện hiệu suất truyền dẫn và giảm kích thước của anten, giúp tối ưu hóa không gian trong các thiết bị di động.

Các thiết bị di động cầm tay có thể được trang bị công nghệ này, cho phép sử dụng rộng rãi trong các hệ thống di động.

- PIFA làm giảm bức xạ ngược ở phía đầu người dung, giảm thiểu sự hấp thụ năng lƣợng sóng điện từ (SAR) và nâng cao hiệu suất anten

Hệ số khuếch đại cao trong cả phân cực đứng và ngang của PIFA rất hữu ích cho các hệ thống không dây, đặc biệt khi hướng anten cố định và có nhiều phản xạ từ môi trường Trong trường hợp này, trường tổng cần được xem xét là vector tổng của các trạng thái phân cực Tuy nhiên, đặc tính băng thông hẹp của PIFA là một hạn chế đối với ứng dụng thương mại trong thiết bị di động không dây Một phương pháp hiệu quả để giảm kích thước là sử dụng chốt ngắn mạch gần điểm đầu dò tiếp điện của các loại PIFA thông thường.

27 anten, nhƣng kết quả là băng thông trở kháng hẹp

Các kỹ thuật để tăng băng thông PIFA:

Băng thông của PIFA bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích thước mặt phẳng đất, và việc điều chỉnh kích thước này có thể giúp tối ưu hóa băng thông.

- Sử dụng tấm điện môi dày để làm giảm hệ số chất lƣợng cấu trúc Q và tăng băng thông

- Sử dụng phần tử cộng hưởng ký sinh với chiều dài cộng hưởng gần với tần số cộng hưởng chính

- Điều chỉnh vị trí và khoảng cách giữa hai chốt ngắn mạch

- Sử dụng nhiều phần tử xếp chồng nó sẽ tăng băng thông

Các kích thước của PIFA:

Một phương pháp hiệu quả để giảm kích thước anten PIFA là co ngắn anten, nhưng điều này có thể làm ảnh hưởng đến trở kháng của thiết bị đầu cuối, dẫn đến điện trở bức xạ không mong muốn Để khắc phục vấn đề này, có thể sử dụng điện dung ở đầu tải (top loading) Thực tế, việc giảm chiều cao của anten có thể được thay thế bằng một mạch tương đương, giúp cải thiện sự phối hợp trở kháng và nâng cao hiệu suất của anten.

Tải điện dung giúp giảm chiều dài cộng hưởng từ từ /4 xuống dưới /8, tuy nhiên, điều này yêu cầu phải có băng thông tốt và phối hợp trở kháng hiệu quả Để tạo ra tải điện dung, có thể thêm một tấm phẳng song song với mặt phẳng đất, từ đó hình thành tụ bản song song.

Tần số cộng hưởng: Tần số cộng hưởng của PIFA có thể gần đúng với:

Khi W/L 1 = 1, tần số cộng hưởng được xác định bởi L 1 + H, trong khi khi W = 0, tần số cộng hưởng là L 1 + L 2 + H Chiều rộng của phần tử planar, đặc biệt là tấm ngắn mạch của PIFA, ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng; tần số này giảm khi chiều rộng W của tấm ngắn mạch giảm Khác với các anten vi dải thông thường, PIFA chỉ sử dụng một phần tư bước sóng Để phân tích tần số cộng hưởng và đặc tính băng thông của anten, có thể xác định vị trí của điểm tiếp điện, nơi hệ số phản xạ nhỏ nhất được đạt được.

Phối hợp trở kháng của anten PIFA có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh vị trí của điểm tiếp điện và chốt ngắn mạch, cũng như tối ưu hóa khoảng cách giữa các chốt ngắn mạch và điểm tiếp điện của anten.

Kết luận

Trong chương này, chúng ta đã khám phá tổng quan về công nghệ chế tạo anten vi dải, bao gồm khái niệm, phân loại và các nguyên lý thiết kế cơ bản Đồng thời, chương cũng đã giới thiệu một số mẫu anten vi dải phổ biến được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến Sau khi nắm vững lý thuyết, chương tiếp theo sẽ tập trung vào việc thiết kế, mô phỏng và phân tích anten vi dải hình dạng sáu cạnh bậc thang cho ứng dụng đa dải tần.

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ANTEN VI DẢI HÌNH DẠNG SÁU CẠNH BẬC THANG ỨNG DỤNG ĐA DẢI TẦN