1
CHƯƠ NG NG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 GIỚ I THIỆU VỀ ANTEN VI DẢI Anten vi dải (microstrip antenna) đã đượ c chú ý nghiên cứu và phát triển từ những năm 1970, mặc dù những thiết k ế đầu tiên và những mô hình lý thuyết xuất hiện từ những
ĩ nh năm 1950. Ngày nay, anten vi dải xu ất hi ện trong hầu h ết các l ĩ nh v ực,
đặc biệt là trong
ĩ nh l ĩ nh vực hàng không vũ tr ụ, thông tin vệ tinh, các thiết b ị thông tin và truyền thông. Đây là loại anten có khối lượ ng ng và kích thướ c nhỏ gọn, bề dày mỏng, cấu trúc
đơ n giản, r ẻ
tiền, dễ sản xuất hàng loạt nhờ công nghệ mạch in. Ngoài ra, anten loại này còn có sự linh hoạt về tần số cộng hưở ng, ng, khả năng phân cực tuyến tính vớ i các k ỹ thuật cấ p nguồn
đơ n giản, các đườ ng ở kháng có thể thực hiện đồng ng cấ p nguồn và các mạch phối hợ p tr ở thờ i cùng vớ i việc chế tạo anten. Tuy nhiên, anten dạng này cũng có một số nhượ c điểm như: hiệu xuất thấ p (do suy hao của điện môi và điện dẫn), khả năng tích tr ữ công suất thấ p, ảnh hưở ng ng bức xạ nguồn nuôi (do sóng bề mặt, tr ăm), hầu hết
ng truyền vi dải…), băng thông hẹ p (khoảng một vài phần đườ ng
đều bức xạ trong nữa không gian phía trên mặt phẳng đất, một số loại có
độ lợ i thấ p… Anten vi dải
đượ c ứng d ụng trong dải t ần GHz (f > 0.5 GHz). Đối vớ i nh ững tần
ở nên quá lớ n. số thấ p hơ n thì kích thướ c của anten tr ở n. 1.2 ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI D ẢI Anten vi dải hay còn đượ c g ọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thướ c r ất nh ỏ và
đượ c ch ế tạo trên một b ản m ạch in. Thực ch ất anten vi dải là một d ạng anten có k ết c ấu bức xạ kiểu khe. Mỗi ph ần t ử anten vi dải bao gồm các phần chính là một bản mặt kim loại (patch)
đượ c đặt trên một lớ p điện môi nền (dielectric substrate) và một bộ phận tiế p điện. Cấu
2
trúc điển hình của một phần tử anten vi dải có dạng hình chữ nhật
đượ c cho trong hình
1.1
trúc của một phần t ử anten vi d ải hình chữ nhật Hình 1.1 C ấu Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều r ộng W , bề dày của bản kim loại t, môi h, hằng số điện môi
ε ,
độ dẫn điện của bản kim loại
σ ,
chiều dày lớ p điện
suy hao tiế p tuyến (loss tangent) của lớ p điện môi tan( δ ).
Bản kim loại r ất mỏng, nhỏ hơ n nhiều so vớ i bướ c sóng truyền trong không gian tự do (t <<
λ 0 ).
Tuy nhiên, độ dày này phải ít nhất lớ n hơ n một vài lần so vớ i độ sâu của
lớ p mặt ngoài vì nếu độ dày của bản kim loại nhỏ hơ n độ sâu của lớ p mặt ngoài thì những tổn thất thuần tr ở sẽ làm giảm hi ệu suất b ức x ạ của anten. Chiều dài L của b ản kim loại thườ ng trong khoảng ( λ 0 /3 < L <
λ 0 /2).
Chiều dày lớ p điện môi h và hằng số điện môi
ε
đóng vai trò quan tr ọng trong các
thông số bức xạ của anten. Độ dày h của lớ p điện môi thườ ng trong khoảng (0.002 λ 0 < h < 0.1 λ 0 ), hằng số điện môi
ε
thườ ng trong khoảng (2.2 <
ε
< 12). Lớ p điện môi dày vớ i
hằng s ố điện môi nhỏ hơ n 2.2 sẽ tăng hiệu qu ả sử dụng c ủa anten: dải t ần r ộng, suy hao do b ức x ạ
đườ ng biên không đáng k ể, nh ưng kích thướ c anten sẽ lớ n. Những vật li ệu có
hằng số điện môi nhỏ hơ n 2.2 và lớ n hơ n 12 thườ ng không phổ biến trong những thiết k ế thươ ng mại.
3
Ngoài ra anten vi dải còn có các hình d ạng khác như: hình vuông, hình tròn, hình tam giác, hình vành khăn, hình ellip …đượ c mô tả trong hình 1.2
Hình 1.2 M ột số d ạng anten vi d ải thông d ụng
1.3 CÁC PHƯƠ NG PHÁP CẤP NGUỒN CHO ANTEN VI D ẢI Có nhiều phươ ng pháp cấ p nguồn (tiế p điện) hay truyền năng lượ ng điện từ cho anten vi dải. Bốn phươ ng pháp phổ biến nhất là: cấ p nguồn bằng đườ ng truyền vi dải, cấ p nguồn bằng probe
đồng tr ục, cấ p nguồn bằng phươ ng pháp ghép gần, cấ p nguồn bằng
phươ ng pháp ghép khe.
1.3.1 CẤP NGUỒN BẰNG PROBE ĐỒNG TR ỤC Probe
đồng tr ục là một k ỹ thuật r ất phổ biến thườ ng đượ c dùng để cấ p nguồn cho
anten vi dải. Một dây dẫn điện bên trong
đầu nối đồng tr ục đượ c kéo dài xuyên qua lớ p
điện môi và đượ c hàn vớ i bản kim loại bức xạ phía trên, còn phần bên ngoài đầu nối đượ c nối v ớ i mặt phẳng
đất nh ư trong hình 1.3. Thuận lợ i chính của k ỹ thuật tiế p điện này là
đườ ng tiế p điện có thể đặt ở bất k ỳ vị trí nào bên trong bản kim loại nhằm mục đích phối hợ p tr ở kháng vớ i tổng tr ở ngõ vào của nó. Phươ ng pháp tiế p điện này r ất dể sản xuất và ít gây bức x ạ không mong muốn. Tuy nhiên, khó khăn lớ n nhất của k ỹ thuật này là cho băng thông hẹ p, khó khoan một lỗ nhỏ trong lớ p điện môi, hàn dây dẫn bên trong đầu nối
đồng tr ục vào bản kim loại và để đầu n ối v ừa nhô ra phia bên ngoài mặt ph ẳng đất. Đối
4
vớ i những lớ p điện môi dày (h > 0.02 λ 0 ) k ỹ thuật này lại càng khó thực hiện bở i vì chiều dài của dây dẫn bên trong
đầu n ối dài hơ n làm thay đổi t ổng tr ở ngõ vào ảnh hưở ng đến
vấn đề phối hợ p tr ở kháng.
Hình 1.3 Anten vi d ải vớ i đườ ng tiế p đ iện đồng tr ục và mạch t ươ ng đươ ng
1.3.2 CẤP NGUỒN BẰNG ĐƯỜ NG TRUYỀN VI DẢI Trong k ỹ thuật tiế p điện này, một
đườ ng dẫn điện vi dải đượ c nối tr ực tiế p vớ i
cạnh của anten vi dải như trong hình 1.4. Chiều r ộng của đườ ng truyền này phải nhỏ hơ n chiều r ộng của anten vi dải.
5
Hình 1.4 Anten vi d ải vớ i đườ ng tiế p đ iện vi d ải và mạch t ươ ng đươ ng Phươ ng pháp này tiện l ợ i khi
đườ ng truyền vi dải có thể đượ c thực hiện trên cùng
một lớ p điện môi. Để phối hợ p tr ở kháng có thể sử dụng k ỹ thuật đườ ng truyền một phần tư bướ c sóng ( λ / 4 - quarterwave line),
đặt lệch vị trí của đườ ng cấ p tín hiệu so vớ i điểm
trung tâm (offset feed line) hay cắt sâu vào chiều r ộng c ủa b ản kim loại m ột đoạn (inset feed line) như hình 1.5. Các k ỹ thuật này r ất dễ chế tạo và sản xuất cũng như dễ dàng trong việc phối h ợ p tr ở kháng. Tuy nhiên phươ ng pháp này sẽ làm gia tăng sóng bề mặt, những bức xạ không mong muốn và ảnh hưở ng đến băng thông. Ngoài ra chúng ta có th ể cấ p nguồn cho anten vi dải bằng các k ỹ thuật không tiế p xúc
để hạn chế những vấn đề
này.
a. Quarterwave feed line
b. Inset feed line
c. Offset feed line Hình 1.5 Các k ỹ thuật phố i hợ p tr ở kháng bằ ng đườ ng truyề n vi d ải
6
1.3.3 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠ NG PHÁP GHÉP KHE Trong k ỹ thuật này, bản kim loại bức xạ và biệt nhau bở i m ột m ặt ph ẳng
đườ ng tiế p điện vi dải đượ c đặt tách
đất nh ư hình 1.6. Việc ghép bản kim loại và đườ ng c ấ p tín
hiệu đượ c thực hiện thông qua một khe trong mặt phẳng đất. Khe ghép luôn đặt ở giữa và dướ i bản kim loại nhằm giảm bớ t phân cực chéo do cấu trúc đối xứng. Khoảng ghép giữa
đườ ng tiế p điện và bản kim loại đượ c xác định bằng kích thướ c và vị trí của khe. Mặt phẳng đất tách biệt so vớ i đườ ng truyền và bản kim loại nên bức xạ không mong muốn là cực ti ểu. Thông thườ ng, vật li ệu có hằng s ố điện môi lớ n và dày dùng cho lớ p dướ i còn vật li ệu có hằng số điện môi nhỏ và m ỏng h ơ n s ử dụng
ở lớ p trên nhằm tối ưu b ức xạ từ
bản kim loại. Bất lợ i chính của phươ ng pháp này là khó sản xuất, chế tạo do có nhiều lớ p, cũng chính vì vậy mà làm cho anten tr ở nên dày hơ n. Loại tiế p điện này có băng thông r ất r ộng.
ỹ thuật ghép khe và mạch t ươ ng đươ ng Hình 1.6 Anten vi d ải vớ i k
7
1.3.4 CẤP NGUỒN BẰNG PHƯƠ NG PHÁP GHÉP G ẦN Trong k ỹ thuật này, đườ ng cấ p tín hi ệu đượ c đặt giữa hai lớ p điện môi và bản kim loại bức xạ
đượ c đặt ở lớ p điện môi trên cùng như hình 1.7. Ư u điểm của phươ ng pháp
này là cho băng thông r ộng và loại bỏ bức xạ trên đườ ng tiế p điện. K ỹ thuật này cho phép chọn hai lớ p điện môi khác nhau cho bản kim loại bức xạ và cho nhằm mục đích tối ưu những hoạt
đườ ng truyền tín hiệu
động riêng r ẽ của hai phần tử này. Việc phối hợ p tr ở
kháng có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh chiều r ộng của
đườ ng cấ p tín hiệu và tỉ số
chiều dài và r ộng của bản kim loại. Khó khăn chính của phươ ng pháp này là việc chế tạo, sản xuất bở i vì nó có tớ i hai lớ p điện môi và cũng làm cho anten dày hơ n.
ỹ thuật ghép g ần và mạch t ươ ng đươ ng Hình 1.7 Anten vi d ải vớ i k 1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI DẢI Anten vi dải đượ c chế tạo bằng cách ăn mòn một lớ p
đồng trên một nền điện môi.
Kích thướ c và hình dạng của anten phụ thuộc vào tần số cộng hưở ng và các thông số bức xạ.
Để nghiên cứu hoạt động của anten vi dải ta xét một anten vi dải hình chữ nhật điển
hình như hình 1.8. Nó có một
đườ ng cấ p nguồn đượ c điều hợ p ở 50 Ω . Sự phối hợ p tr ở
8
đượ c giữa điểm đầu của anten và đườ ng cấ p nguồn bằng cách đặt đườ ng cấ p
kháng thu
nguồn lệch khỏi điểm giữa một khoảng.
Hình 1.8 Hoạt động của anten vi d ải Sóng cần truyền đi di chuyển vào anten qua
đườ ng cấ p nguồn và lan r ộng xuống
phía dướ i. Sau đó nó tiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần năng lượ ng sẽ phản xạ tr ở lại và phần còn lại sẽ bức xạ ra không gian tự do. Sóng phản xạ dội lại và tiến vào anten cho
đến khi nó tắt dần như hình 1.9. Một phần năng lượ ng cộng hưở ng này quay
tr ở lại nguồn, một ph ần bị triệt tiêu trong lớ p điện môi và phần còn lại b ức x ạ ra không gian tự do. Tần số của sóng tại điểm cộng hưở ng thì điện tr ườ ng xung quanh các cạnh có biên
độ cực đại. Do đó, điện tr ườ ng bức xạ sẽ lớ n nhất tại tần số cộng hưở ng.
9
Hình 1.9 Sóng phản xạ của anten vi d ải
1.5 CÁC MODE HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN VI D ẢI VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞ NG Khi áp sóng có bướ c sóng sắ p sỉ một nữa chiều dài của anten thì anten vi dải cộng hưở ng
ở nhiều sóng
λ / 2
đó là:
λ ,
3λ / 2 , …Những tần số cộng hưở ng này tạo nên các
mode của anten. Nếu điện tr ườ ng áp vào chỉ có thành phần theo hướ ng x và từ tr ườ ng chỉ có thành phần theo hướ ng y thì sóng sẽ lan truyền theo hướ ng z. Mode từ ngang (TM) tồn t ại khi tr ườ ng Hx bằng không và mode điện ngang (TE) tồn tại khi tr ườ ng Ey bằng không. Do đó, anten vi dải có tr ườ ng Hx bằng không nên chỉ có mode TM.
Điện tr ườ ng ở vùng dướ i bản kim loại tại tần số cộng hưở ng đượ c cho bở i [8]: E z = E 0 cos(
mπ x W
) cos(
nπ y L
)
(1.1)
Vớ i m, n = 0, 1,2, …Là các mode của anten. Giá tr ị n biểu diễn sự cộng hưở ng dọc theo chiều dài của anten và giá tr ị m biểu diễn sự cộng hưở ng dọc theo chiều r ộng của anten. Do đó, tần số cộng hưở ng của anten đượ c xác định như sau :
10
f mn = k mn
c 2π
2 Vớ i: k mn =(
(1.2)
ε r
mπ W
)2 + (
nπ L
)2
Công thức trên tính gần đúng những tần số cộng hưở ng nhưng vớ i giả thuyết là các bức tườ ng từ xung quanh bản kim loại là hoàn hảo và do đó không tính
đến các
tr ườ ng biên ở các cạnh của anten. Vì thế, tác giả James [14] đã đề xuất một công thức cải tiến như sau : 1
ε r
f r 1 = f r 0
ε r (W )ε r ( L)
(1.3)
1+ Δ
Vớ i :
Δ=
h ⎧ 0.164(ε r − 1) ε r + 1 ⎡ ⎛ W ⎞⎤ ⎫ + + + 0 . 758 ln 1 . 88 ⎜ ⎟⎥ ⎬ ⎨0.882 + ⎢ 2 W ⎩ ε r πε r ⎣ ⎝ h ⎠⎦ ⎭
( ) = ε r
ε r L
ε r
+1
2
(W ) = ε r
+
+1
2
ε r − 1
+
⎛ L ⎞ F ⎜ ⎟ 2 ⎝ h ⎠
ε r − 1
2
(1.5)
⎛ W ⎞ ⎟ ⎝ h ⎠
F ⎜
1 − 2 ⎧ 2 h A ⎞ ⎛ ⎞ ⎪⎜1 + 12 ⎟ + 0.04⎛ ⎜1 − ⎟ ⎛ a ⎞ ⎪⎝ a ⎠ ⎝ h ⎠ F ⎜ ⎟ = ⎨ 1 − ⎝ h ⎠ ⎪⎛ h ⎞ 2 ⎪⎜1 + 12 ⎟ a ⎠ ⎩⎝
(1.4)
(1.6)
a h a h
≤1 >1
