Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng một anten mimo băng thông siêu rộng

TỔNG QUAN VỀ ANTEN

Tổng quan

Trong thời đại công nghệ phát triển nhanh chóng, nhu cầu về băng thông rộng, đa tần và anten nhỏ gọn ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông không dây cho thương mại và quân sự Anten vi dải đã phần nào đáp ứng được những yêu cầu này, với mỗi loại anten phù hợp cho các ứng dụng khác nhau, hoạt động ở băng tần đơn hoặc kép Anten là thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây, có chức năng chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành tín hiệu điện và ngược lại Theo tiêu chuẩn IEEE, anten được định nghĩa là phương tiện để phát xạ hoặc nhận sóng vô tuyến, đóng vai trò như cầu nối giữa không gian tự do và thiết bị định hướng để phát và nhận sóng điện từ hiệu quả Anten được sử dụng rộng rãi trong phát thanh, truyền hình, điện thoại di động, radar và các hệ thống liên quan đến sóng điện từ, với đặc tính tương tác cho phép duy trì các đặc điểm giống nhau khi truyền hoặc nhận tín hiệu.

Hiện nay, nhiều thiết bị di động sử dụng anten có kích thước một phần tư bước sóng, chủ yếu là các phần của dây bức xạ cắt theo chiều dài xác định, mang lại tính chất bức xạ tuyệt vời Tuy nhiên, đối với các hệ thống hoạt động ở 900 MHz như GSM, chiều dài của anten một phần tư bước sóng thường quá dài so với kích thước thiết bị, gây khó khăn cho người sử dụng Anten vi dải nổi bật với khả năng thiết kế anten có đặc tính bức xạ tương tự như anten một phần tư bước sóng, đồng thời giữ được các đặc tính bức xạ cần thiết.

Hai thống đã được giới thiệu, tích hợp nhiều công nghệ hiện đại Chúng thường yêu cầu hoạt động ở nhiều dải tần số, do đó cần một hệ thống anten đáp ứng các yêu cầu này.

Anten vi dải hiện đang được ưa chuộng nhờ vào kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và giá thành phải chăng Chúng có độ định hướng cao và có thể tích hợp với công nghệ IC, với hình dạng chủ yếu là hình chữ nhật hoặc các hình dạng khác, có bề mặt bức xạ kim loại trên nền điện môi Anten vi dải có thể được sản xuất như một phần tử độc lập hoặc là một phần của mảng Tuy nhiên, loại anten này cũng gặp phải một số nhược điểm như băng thông hẹp, độ lợi thấp, suy hao điện trở lớn, bức xạ dư thừa và hiệu suất không cao.

Lý thuyết chung về anten

An antenna is defined as a device, typically made of metal, such as a rod or wire, used for transmitting or receiving radio waves According to the IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std 145 1983), an antenna serves as a means to radiate or receive radio signals.

Anten hoạt động trên nhiều cấu trúc và được chế tạo từ vật liệu điện dẫn, với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau Kích thước của anten liên quan chặt chẽ đến bước sóng mà nó hoạt động Cụ thể, một anten thiết kế cho tần số 10 kHz sẽ lớn hơn nhiều so với một anten thiết kế cho tần số 10 GHz.

Anten là thiết bị dùng để phát hoặc thu sóng điện từ từ không gian, đóng vai trò là cầu nối giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng Thông thường, anten phát và anten thu không được kết nối trực tiếp với máy phát và máy thu mà thông qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fider Máy phát tạo ra dao động điện cao tần, được truyền qua fider đến anten phát dưới dạng sóng điện từ Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ từ không gian.

Anten và fider cần phải chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc với hiệu suất tối ưu, đồng thời truyền tải năng lượng mà không làm méo tín hiệu Sóng này sẽ được truyền từ anten qua fider đến máy thu.

Hình 1 1 Anten như một thiết bị truyền sóng [1]

Trong một hệ thống thực tế, luôn có các mất mát do điện môi và vật dẫn, tùy thuộc vào bản chất của đường truyền dẫn và anten Bên cạnh đó, sự mất mát do phản xạ cũng xảy ra do phối hợp trở kháng không hoàn hảo tại điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten.

Tại điểm tiếp điện, sóng tới bị phản xạ giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten, dẫn đến sự giao thoa giữa sóng phản xạ và sóng truyền đi từ nguồn Hiện tượng này tạo ra sóng đứng trên đường truyền dẫn, với sự xuất hiện của các nút và bụng sóng đứng, được minh họa qua mô hình sóng đứng trong Hình 1.2.

Hình 1 2 Mạch điện tương đương

Khi hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể trở thành một thành phần lưu giữ năng lượng thay vì truyền năng lượng và dẫn sóng Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn Tổng mất mát phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng Để tối thiểu hóa mất mát do đường truyền, cần chọn các đường truyền có mất mát thấp, trong khi mất mát do anten có thể giảm bằng cách giảm trở kháng bức xạ R L Để giảm sóng đứng và tối thiểu hóa khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền, cần phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền, trong đó tải chính là anten.

Một phương trình tương tự như Hình 1.2 được áp dụng để mô tả hệ thống anten trong chế độ thu, trong đó nguồn được thay thế bằng bộ thu Các thành phần khác của phương trình vẫn tương tự Trở kháng phát xạ R R được sử dụng để thể hiện khả năng thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do đến anten.

Anten trong các hệ thống không dây không chỉ thu nhận và truyền phát năng lượng mà còn phải định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo một số hướng nhất định và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, vai trò của anten là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền thông.

5 trò như một thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa anten cũng phải có các hình dạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể

Công nghệ anten đóng vai trò quan trọng trong các giải pháp truyền thông hiện đại Mặc dù nhiều cải tiến đã được áp dụng trong hơn 50 năm qua, nhưng những phát triển mới hiện nay mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất và thông số của anten Những bước tiến này giúp nâng cao hiệu quả hệ thống truyền thông ngày càng rõ rệt.

1.2.2 Các thông số cơ bản của anten

Các tham số cơ bản của anten bao gồm sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông và tăng ích Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và khả năng hoạt động của anten trong các ứng dụng truyền thông.

1.2.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten [1]

Bức xạ sóng điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian, bắt nguồn từ lý thuyết tính cảm ứng của trường điện từ Quá trình này diễn ra khi trường từ biến thiên tạo ra trường điện biến thiên, dẫn đến dòng điện biến thiên và tiếp tục tạo ra trường từ biến thiên Kết quả là sóng điện từ hình thành trong không gian với hai thành phần phụ thuộc nhau: trường điện (E) và trường từ (H), cả hai đều vuông góc với nhau và với hướng truyền của sóng.

Khi năng lượng từ máy phát truyền đến anten, sẽ hình thành hai loại trường: trường cảm ứng (trường khu gần) và trường bức xạ (trường khu xa) Trường cảm ứng có cường độ lớn, ràng buộc với anten và tỷ lệ thuận với năng lượng truyền vào Ngược lại, trường bức xạ chỉ tồn tại trong khu vực xa, bao gồm hai thành phần là điện trường và từ trường.

Hình 1 3 Các trường bức xạ tại khu xa

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa là một hàm toán học hoặc biểu đồ thể hiện các đặc tính bức xạ của anten, phụ thuộc vào các tọa độ không gian.

Hình 1 4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]

Trong nhiều trường hợp, giản đồ bức xạ được phân tích ở trường xa và được biểu diễn dưới dạng hàm của các tọa độ định hướng Các đặc tính bức xạ chủ yếu bao gồm mật độ thông.

Giới thiệu chung về anten vi dải

Khái niệm anten vi dải được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1953 bởi Deschamps và Gutton Tuy nhiên, phải đến năm 1972, việc chế tạo anten vi dải mới bắt đầu được thực hiện do sự xuất hiện của chất nền có đặc tính tốt vào thời điểm đó.

Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một tấm kim loại mỏng, với độ dày nhỏ hơn nhiều so với bước sóng trong không gian tự do (t