Microstrip – Log periodic antenna cho hệ thống UWB

TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến toàn cầu có những bước phát triển thần kỳ. Với tốc độ đó, đòi hỏi phải mở rộng dải tần số hoạt động với xu hướng nghiên cứu các ứng dụng những dải tần cao. Công nghệ UWB ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp thiết này. Song song đó thì anten (một thiết bị thiết yếu của hệ thống vô tuyến) cũng được phát triển không ngừng để phù hợp với các công nghệ mới ra đời. Luận văn tập trung tìm hiểu hệ thống UWB cũng như các ứng dụng của chúng. Bên cạnh đó, phần quan trọng là xây dựng mô hình lý thuyết anten để làm cơ sở cho việc thiết kế, mô phỏng và thi công một anten băng rộng ứng dụng trong công nghệ này. Anten được chọn thiết kế là anten loga - chu kỳ thực hiện trên nền vi dải (MS-LPDA Antenna). Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm IE3D của Zeland. Anten được thi công trên PCB FR- 4. Các kết quả đo đạc thực nghiệm tiến hành trên máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 và các điều kiện sẵn có. MỤC LỤC PHẦN I : XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ULTRA - WIDE BAND (UWB) 5 1.1. Giới thiệu. 5 1.2. Đặc điểm của UWB: 5 1.3. Các tiêu chuẩn của UWB 12 1.3.1. Tiêu chuẩn UWB của USA (FCC) 12 1.3.2. Tiêu chuẩn UWB của Châu Âu. 13 1.4. Ứng dụng của kỹ thuật UWB 14 1.5. Anten ứng dụng trong UWB radar: 16 1.5.1. Yêu cầu cần có đối với Anten dùng cho UWB radar 16 1.5.2. Một số loại Anten ứng dụng cho UWB Radar 16 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN 19 2.1. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến. 19 2.2. Các đặc tính của anten. 21 2.3. Phần tử cơ bản của anten. 25 2.4. Nguồn bức xạ nguyên tố của anten. 25 2.4.1. Lưỡng cực điện. 25 2.4.2. Lưỡng cực từ. 27 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA) 29 3.1. Giới thiệu. 29 3.2. Các đặc tính của Anten vi dải 30 3.3. Các phương pháp phân tích anten vi dải 31 3.4. Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs) 32 3.4.1. Anten vi dải nửa sóng. 32 3.4.2. Anten phần tư sóng. 35 3.5. Trở kháng vào anten vi dải 36 3.6. Băng thông của anten vi dải 39 3.7. Phân cực của anten vi dải 40 CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ANTEN BĂNG RỘNG ANTEN LOGA – CHU KỲ 41 4.1. Dải thông tần và dải tần công tác của anten. 41 4.1.1. Dải thông tần. 41 4.1.2. Dải tần công tác. 41 4.2. Phương pháp mở rộng dải tần số của anten chấn tử. 42 4.3. Phương pháp thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tương tự. 43 4.4. Anten lôga - chu kỳ ( log – periodic antenna) 43 4.5. Đặc điểm kết cấu anten loga chu kỳ và phương pháp tính toán. 46 PHẦN II : THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MS-LPDA ANTENNA CHO HỆ THỐNG UWB 52 5.1. Các thông số anten loga chu kỳ. 52 5.2. Trình tự thiết kế anten MS-LPDA 53 5.3. Kích thước anten được thiết kế. 55 CHƯƠNG 6 : THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 64 6.1. Các số liệu ban đầu. 64 6.2. Các kết quả đo đạc. 67 CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 7.1. Kết quả đạt được. 70 7.2. Hướng phát triển đề tài 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO . PHẦN I : XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾTCHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ULTRA - WIDE BAND (UWB)1.1. Giới thiệuCông nghệ Ultra – Wide Band (UWB) là công nghệ khá mới trong truyền thông hiện nay. UWB là kỹ nghệ vô tuyến truyền dữ liệu với tốc độ cao ở khoảng cách ngắn, băng thông rộng và công suất thấp. UWB truyền nhận thông tin nhờ việc sử dụng hàng triệu xung cực hẹp (độ rộng khoảng vài trăm ps) trong mỗi giây. Kỹ thuật UWB được bắt đầu sử dụng từ khoảng 20 năm trở lại đây, đầu tiên UWB chỉ được sử dụng cho các mục đích quân sự như các ứng dụng radar dò tìm vật thể . Từ 14-2-2002, FCC (Federal Communication Commission) đã cho phép sử dụng UWB trong dải tần từ 3.1 GHz – 10.6 GHz cho các mục đích dân sự. Ngày nay, kỹ thuật UWB được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực thông tin liên lạc. Nhờ đó các ứng dụng của UWB ngày càng mở rộng và phát triển. 1.2. Đặc điểm của UWB:Những hệ thống thông tin dựa trên nguyên tắc phát xung (Impulse radio) cũng như các hệ thống radar xung (impulse radar) đều sử dụng những xung rất hẹp (vài trăm ps). Do đó sẽ tạo ra tín hiệu có phổ vô cùng rộng (ultra – wideband spectrum). Và kỹ thuật điều chế sử dụng cho các hệ thống này là: Điều chế vị trí xung (Pulse Posititon Modulation – PPM). Các tín hiệu UWB là các tín hiệu ở bộ xung tương đối khó. Tuy nhiên nhờ mật độ công suất nhỏ mà các tín hiệu UWB sẽ chống được hiện tượng giao thoa (interference). Đây là trở ngại lớn trong các hệ thống thông tin băng hẹp. UWB có đặc điểm khác có hệ thống thông tin khác là: băng thông rất rộng và được truyền dưới dạng không sóng mang (carrierless). Băng thông của hệ thống UWB lớn hơn rất nhiều băng thông của các hệ thống hiện tại sử dụng trong thông tin liên lạc. UWB là tín hiệu có băng thông tỷ lệ chiếm 20% của tần số trung tâm hoặc băng thông tối thiểu 500MHz bất kể băng thông tỷ lệ.

doc79 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 11/06/2013 | Lượt xem: 2261 | Lượt tải: 7download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Microstrip – Log periodic antenna cho hệ thống UWB, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
thu được, do đó không cần sự xuất hiện của bộ converter nữa. Không giống như trong các hệ thống trải phổ hiện hành, các xung trong UWB không cần thiết phải xuất hiện trong toàn bộ chu kỳ. Có nghĩa là chu kỳ làm việc (duty cycle) có thể rất thấp. Bộ thu chỉ cần phát hiện tín hiệu trên kênh truyền trong một khoảng thời gian rất ngắn giữa các xung. Do đó, Processing Gain tại bộ thu: PG2 = 10 log10 () (1.3) Với Tf : Khung thời gian dịch (Time hopping frame) Tp : Độ rộng xung ( Impulse Width) Do đó, độ lợi tổng của tiến trình (Total Processing Gain) sẽ là tổng của hai độ lợi trên: PG = PG1 + PG2 (1.4) UWB nhờ sử dụng phát xung không liên tục nên đã hạn chế được ảnh hưởng của hiện tượng đa đường. Rõ ràng nếu thời gian của xung phát lớn hơn thời gian trễ của kênh truyền (Channel delay) thì sẽ không còn xuất hiện hiện tượng ISI nữa. Trong truyền dẫn không liên tục, các xung liên tiếp nhau sẽ được gửi đi trong từng frame thời gian. Các frame (Tf) này được xác định bởi các mã dịch thời gian giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Time – Hopping Code). Do độ rộng xung rất nhỏ, thời gian lặp lại của các xung lại lớn (so với độ rộng xung), nên xung sau khi được phát đi sẽ bị suy hao rất nhanh trước khi 1 xung kế tiếp được phát. Do đó sẽ chống được hiện tượng giao thoa xung (InterPulse Interference). Trong miền thời gian, xung monocycle Gauss được xác định bởi vi phân bậc nhất của xung Gauss. Hình 1.2.3 và 1.2.4 sẽ biểu diễn xung monocycle Gauss trong miền thời gian và tần số với độ rộng xung khác nhau: Hình 1.2.3 Xung monocycle Gauss trong miền thời gian Hình 1.2.4. Xung monocycle Gauss trong miền tần số Hàm toán học của xung monocycle Gauss được xác định như sau: (1.5) Với A : biên độ xung Tp : độ rộng xung Biến đổi Fourier qua miền tần số ta được: (1.6) Hình 1.2.5 đưa ra sơ đồ khối cho hệ thống Time – Hopping UWB (TH UWB) dựa trên nguyên tắc phát xung và dùng kỹ thuật điều chế PPM. Hình 1.2.5. Hệ thống UWB dựa trên TH- PPM Dạng xung và phổ của nó trong hệ thống được trình bày ở hình 1.2.6 và 1.2.7.Trong hình 1.2.6, đường nét liền diễn tả cho xung được tạo ra và đường nét đứt diễn tả cho dạng xung trên kênh truyền. Anten UWB hoạt động tương đương với 1 bộ lọc thông cao và có thể được thay thế bởi 1 khối vi phân trong miền thời gian. Do đó, dạng xung được truyền đi trên đường truyền sẽ là dạng vi phân bậc nhất của tín hiệu xung được tạo ra. Hình 1.2.6. Các dạng xung Gauss trong hệ thống TH UWB Hình 1.2.7. Phổ bên miền tần số Trong hình 1.2.6 và 1.2.7, xung Gauss kép (Gaussian Doublet Pulse) cũng được đưa ra như một dạng xung đầy tiềm năng sẽ được dùng trong tương lai. Tuy nhiên dạng xung này chỉ phù hợp cho các ứng dụng định vị hơn là các ứng dụng thông tin liên lạc của UWB. Bởi vì nó có độ rộng xung gấp 2 lần xung Gauss và có thời gian trễ giữa 2 xung là Tw. Do đó sẽ giới hạn băng thông và không thể dùng cho các ứng dụng thông tin dữ liệu tốc độ cao. Trong một số trường hợp Tw của xung Gauss kép được dùng để tạo ra các khỏang phổ trắng với chủ ý chống hiện tượng giao thoa. Với băng thông rộng, tín hiệu UWB còn có khả năng chống lại hiện tượng fading. Không giống như hệ thống băng hẹp, UWB chỉ phụ thuộc vào hình dạng xung do đó độc lập với tốc độ dữ liệu. Vì vậy ngay cả ở tốc độ dữ liệu thấp, hệ thống UWB vẫn có khả năng chống fading. Tóm lại, hệ thống UWB có một số ưu điểm và khuyết điểm riêng như sau: Ưu điểm: Không cần băng tần dành riêng như các hệ thống thông tin khác. Hệ thống phần cứng thực hiện không phức tạp lắm. Hệ thống UWB được thiết kế khá đơn giản với giá thành thấp: Do không cần thiết kế tầng số trộn tín hiệu (mixing stage). Đồng thời các bộ upconversion, down- conversion, bộ khuyếch đại trong các hệ thống thu phát cổ điển cũng sẽ không cần thiết. Tại bộ thu, các bộ delay cũng như các bộ bám pha cũng sẽ biến mất. Hoạt động hiệu quả trong môi trường truyền dẫn nhiều tia. Mật độ phổ công suất thấp nên ít gây nhiễu đối với các hệ thống hoạt động cùng tần số. UWB đòi hỏi công suất tiêu thụ thấp (cỡ 1/10000 của GSM). Do khả năng định vị chính xác, radar sử dụng kỹ thuật UWB có độ chính xác gấp nhiều lần hệ thống radar truyền thống. Có thể truyền dữ liệu với tốc độ rất cao trên khoảng cách ngắn. Khuyết điểm: Tốc độ truyền tỷ lệ nghịch với khoảng cách, do đó có giới hạn về tốc độ khi truyền trên khoảng cách lớn. Khó đồng bộ máy phát và máy thu. Công suất tiêu thụ thấp nên giới hạn khoảng cách truyền. 1.3. Các tiêu chuẩn của UWB 1.3.1. Tiêu chuẩn UWB của USA (FCC) Định nghĩa đầu tiên được đưa ra để xác định một tín hiệu UWB là băng thông tín hiệu phải trên 0.25. Công thức Taylor của băng thông tín hiệu UWB được xác định như sau: (1.7) Với tần số cắt -3dB. Sau đó, FCC đã công bố băng thông tối thiểu được cho phép giảm xuống là 0.2 hoặc tối thiểu là 500 MHz và fH, fL cũng được định nghĩa ở -10dB. Các giới hạn phát cho các ứng dụng indoor và outdoor được nêu như sau: Hình 1.3.1. Tiêu chuẩn UWB của FCC 1.3.2. Tiêu chuẩn UWB của Châu Âu CEPT (European Conference Postal and Telecommunication) đã lập nhóm CEPT/ERC/REC 70-30 (Ultra-Wide Band Working Group, 1999) nhằm đưa ra các chuẩn cho UWB. Dưới đây là chuẩn ITU 2002 cho các ứng dụng indoor và outdoor : Hình 1.3.2. Tiêu chuẩn UWB của ITU 1.4. Ứng dụng của kỹ thuật UWB Hệ thống thông tin và đo lường. Hệ thống radar. Hệ thống định vị dưới mặt đất, xuyên tường, hình ảnh y khoa, giám sát. Hình 1.4.1. Local/Personal area Network Hình 1.4.2. Hệ thống dò tìm bom đạn Hình 1.4.3. Nhìn xuyên tường Hình 1.4.4. Radio Frequency Identificatio Hình 1.4.5. Một số ứng dụng khác của UWB 1.5. Anten ứng dụng trong UWB radar: 1.5.1. Yêu cầu cần có đối với Anten dùng cho UWB radar Hoạt động ở băng thông cực rộng. Đảm bảo được sự tuyến tính pha trong dải tần hoạt động (để có thể phục hồi chính xác khi dạng sóng ngõ vào không phải dạng sin). Các anten thu-phát phải đảm bảo tính trung thực tín hiệu với sai lệch nhỏ nhất. 1.5.2. Một số loại Anten ứng dụng cho UWB Radar Hình 1.5. Một số lọai Antenna thường dùng trong UWB Radar CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN 2.1. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách: Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi ... Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng diện từ ràng buộc. Bức xạ sóng ra không gian. Sóng sẽ được truyền dưới dạng sóng điện từ tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóng điện từ (thiết bị anten). Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fide thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo fide tới máy thu. Nhưng cần lưu ý năng lượng điện từ mà anten thu tiếp nhận từ không gian ngoài sẽ chỉ có một phần được truyền tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại không gian (bức xạ thứ cấp). Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa... Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau. Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang(mặt đất),để cho các máy thu đặt ỏ các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu ở đài phát. Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng thẳng đứng,với hướng,cực đại song song mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết.Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ,thông tin truyền tiếp, rada, vô tuyến điều khiển v.v... thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao,nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc hẹp trong không gian. Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do,mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định,với các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada điều khiển...cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.Trong trường hợp tổng quát,anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống,trong đó chủ yếu là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten đã được vẽ ở hình 2.1.1. Hình 2.1. Hệ thống thu phát vô tuyến. 2.2. Các đặc tính của anten Có nhiều thông số khác nhau được sử dụng để mô tả đặc tính hoặc chất lượng của anten. Tùy loại anten mà một số trong các thông số này được sử dụng để mô tả, đánh giá đặc tính của anten. Và dĩ nhiên, các thông số này còn được sử dụng trong việc tính toán một tuyến liên lạc vô tuyến hoặc một mạch điện có anten. 2.2.1. Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) Được dùng để biểu diễn đặc tính bức xạ của anten. Là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong hệ trục tọa độ trong không gian. Thông thường đồ thị bức xạ biểu diễn trường vùng xa của các đại lượng như:Mật độ bức xạ, Cường độ bức xạ,Cường độ trường, Hệ số định hướng.... Anten có nhiều dạng và nhiều cấu trúc khác nhau có loại rất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp. Ta có hai loại anten là anten vô hướng và anten có hướng: a. Anten vô hướng: là anten có bức xạ công suất một cách đồng nhất trong một góc khối 4. b. Anten có hướng: là anten mà nó tập trung công suất theo một hướng nhất định vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số hướng tính D( ) và độ lợi G( ). D() mô tả kiểu bức xạ, G( ) cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ). Hình 2.2.1. Bức xạ đẳng hướng và bức xạ định hướng. Hình 2.2.2. Bức xạ vô hướng và bức xạ đẳng hướng. 2.2.2. Các búp sóng (Lobes) a. HPBW: độ rộng nửa công suất (Half-Power Beamwidth): là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xạ ở 2 hướng này giảm 3dB so với hướng cực đại). b. FNBW: độ rộng bức xạ không đầu tiên (First Null Beamwidth): là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng 0 nằm 2 bên hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng. Hình 2.2.4. Các búp sóng trong không gian 3 chiều Hình 2.2.5. Các búp sóng được vẽ đồ thị vuông góc 2.2.3. Băng thông (Bandwidth) Là khoảng tần số mà trong đó một (hoặc vài) đặc tính của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn xác định. Các đặc tính như là: trở kháng ngỏ vào, đồ thị bức xạ, phân cực, mức bức xạ phụ, hướng búp chính, hiệu suất. 2.2.4. Phân cực (Polarization) Phân cực của anten theo 1 hướng cho trước được xác định là phân cực của sóng do anten bức xạ ra. Phân cực của sóng bức xạ là đặc tính trong miền thời gian của sóng điện từ, được xác định theo hình vẽ của đầu mút vector E theo thời gian. Có các loại phân cực : thẳng, tròn và elip. Hình 2.2.6. Sự biến thiên trường E theo thời gian 2.2.5. Trở kháng ngỏ vào (Input impedance) (2.1) với : điện trở ngõ vào RR : điện trở bức xạ RD : điện trở tổn hao Hình 2.2.7. Trở kháng ngõ vào anten 2.2.6. Hiệu suất bức xạ của anten(Antenna Radiation Efficiency): (2.2) 2.3. Phần tử cơ bản của anten Phần tử phát xạ chính và thu chính chính của anten là chấn tử đối xứng và không đối xứng: a. Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten. Nó gồm hai dây dài bằng nhau (hình trụ, chóp, elipsôit) giữa dây fiđe như hình.Thường dùng nhất là chấn tử đối xứng có chiều dài bằng nửa bước sóng và được gọi là chấn tử nửa bước sóng. Hình 2.3. Chấn tử đối xứng và không đối xứng b. Chấn tử không đối xứng có một đầu dây nối vào một đầu của máy phát (hay máy thu) còn đầu còn lại của máy phát (hay máy thu ) thì được nối đất. 2.4. Nguồn bức xạ nguyên tố của anten Khi khảo sát các đặc tính của anten phức tạp, ta phải khảo sát các nguồn bức xạ nguyên tố để làm cơ sở. Nguồn bức xa nguyên tố gồm có: lưỡng cực điện và lưỡng cực từ. 2.4.1. Lưỡng cực điện Lưỡng cực điện là một đoạn dây dẫn mãnh và chiều dài l rất nhỏ so với bước sóng (l <<). Trên lưỡng cực điện dòng điện xoay chiều tại mọi nơi đều cùng biên độ và pha. Hình 2.4.1. Dipole điện Ở khoảng cách xa r >>l cường độ điện trường xác định bằng biểu thức : (2.3) Với : (rad/m). (2.4) Ta thấy cường độ trường phụ thuộc vào toạ độ khảo sát, dòng điện trên lưỡng cực và bước sóng. Công suất bức xạ trong không gian tự do : (2.5) Điện trở bức xạ trong không gian tự do : (2.6) Hệ số định hướng : (2.7) Hình 2.4.2. Đồ thị bức xạ của dipole điện. 2.4.2. Lưỡng cực từ Tương tự dipole điện, dipole từ là một phần tử dẫn từ thẳng, rất mảnh, có độ dài rất nhỏ so với bước sóng, trên đó có dòng từ với biên độ và pha đồng đều ở tất cả mọi điểm. Hình 2.4.3. Dipole từ Trường bức xạ của dipole từ tương tự dipole điện. (2.8) Hình 2.4.4. Trường của dipole điện a) và từ b) Bức xạ của dipole từ trong không gian tự do: (2.9) Điện dẫn bức xạ của dipole từ: (2.10) CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA) 3.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, anten vi dải đã được tập trung nghiên cứu khá nhiều, cả về lý thuyết và kỹ thuật. Đồng thời cũng đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về mặt công nghệ và ứng dụng trong thực tiễn nhất là lĩnh vực thông tin di động, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần. Nó đã tỏ ra là loại anten có nhiều hiệu quả và tiện lợi. Các khái niệm về bức xạ vi dải đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là cấu trúc ổn định, trọng lượng bé, kích thước nhỏ, dễ chế tạo và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng. Không những thế, anten vi dải rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (antenna array), cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong hệ thống CDMA. Với nhiều đặc tính thuận lợi như trên nên MSA được thiết kế đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực truyền thông vô tuyến khác nhau. Về cấu tạo, mỗi phần tử anten vi dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bồ phận tiếp điện như hình 3.1. Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten vi dải còn có tên gọi là anten mạch in. Hình 3.1. Phần tử anten vi dải Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày t và hằng số điện môi của lớp đế điện môi. Phần tử anten vi dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại (hình 3.3. a), hoặc dùng cáp đồng trục, có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn (hình 3.3. c). Tùy thuộc vào hình dạng phiến kim loại và các thông số hình học, ta có các loại anten khác nhau. Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng nhất với hoạt động của anten. Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, dải tần và hiệu suất của anten. 3.2. Các đặc tính của Anten vi dải Anten vi dải (Microstrip Antenna – MSA) được ứng dụng trong cao tần từ tần số 100MHz đến 100GHz. MSA có nhiều đặc điểm thuận lợi so với các anten truyền thống khác và được dùng trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, MSA cũng có một số khuyết điểm cần được cải thiện. Ưu điểm: MSA có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất. Có thể phân cực tuyến tính hoặc phân cực tròn. Công nghệ chế tạo phù hợp với các mạch cao tần. Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten. Dễ dàng tích hợp với các thiết bị di động cá nhân. Khuyết điểm: MSA có băng thông hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5% (đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong ứng dụng đòi hỏi trải phổ rộng, và một số MSA có độ lợi thấp). Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten. Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối. Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp. Một số ứng dụng của MSA: 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 các dãy MSA để định vị. Các loại vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng. GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA. 3.3. Các phương pháp phân tích anten vi dải Một trong những phương pháp phân tích anten vi dải là phương pháp moment, khi các anten vi dải có hình dạng tùy ý. Đây là phương pháp rất hữu hiệu để tính toán các anten vi dải, không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong mạchệc nghiên cứu và thiết kế các anten vi dải đa dạng trong thực tế phát triển của công nghệ truyền thông. Trong phần này, sẽ giới thiệu về phương pháp phân tích anten vi dải dựa trên sự quan sát và suy luận vật lý để có thể tìm hiểu nguyên lý của anten vi dải một cách rõ ràng hơn theo các khía cạnh kỹ thuật. Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương pháp đường truyền và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản (ví dụ hình chữ nhật, hình tròn), còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp. Trong mục này sẽ chỉ đề cập đến phương pháp đường truyền dẫn. Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi phần tử anten vi dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm vi dải), và đặt song song cách nhau một khoảng L (bằng chiều dài của tấm vi dải) như vẽ ở hình 3.3. b. Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = / 2, với là bước sóng trong lớp đế điện môi thì hai khe này được kích thích ngược pha nhau, nhưng vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian như mô tả ở hình 3.3. b. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải nửa sóng. Hình 3.3. Mô hình anten vi dải 3.4. Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs) Trong phần này sẽ đề cập đến anten vi dải hình chữ nhật, với 2 loại nửa sóng và phần tư sóng. 3.4.1. Anten vi dải nửa sóng Loại anten vi dải được sử dụng phổ biến nhất là loại gồm một phiến kim loại hình chữ nhật gắn trên bản mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục. Chiều dài L xấp xỉ bằng nửa bước sóng. (3.1) trong đó: : bước sóng trong không gian tự do : bước sóng truyền trong lớp điện môi Như trên đã phân tích, trường bức xạ của anten có thể được xác định dựa trên nguồn bức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra bởi cạnh của phần tử vi dải và mặt phẳng đế trực tiếp ở phía dưới. Do t << /4, mỗi khe đơn sẽ bức xạ đẳng hướng vào nửa không gian phía trên mặt phẳng đế. Hình 3.4.1. Bức xạ anten vi dải Hình 3.4.1a vẽ anten vi dải, các khe bức xạ của nó và hệ tọa độ khảo sát. Hình b là cấu trúc điện từ trường ở gần phiến kim loại, trong đó đường liền là trường E, đường đứt nét là trường H. Trên hình vẽ có thể thấy các khe 1 và 2 là các khe bức xạ, M1 và M2 tương ứng là các dòng từ tương đương. Trường bức xạ có thể được tính toán nhờ các dòng tương đương trong khe, ta nhận được các thành phần trường bức xạ của một khe đơn lẻ, biểu thị trong hệ tọa độ cầu như sau: (3.2) trong đó : E0 là cường độ điện trường trong khe. (3.3) Giả sử lớp đế điện môi là rất mỏng (t << l), khi đó (3.2) có thể đơn giản thành: (3.4) Hàm phương hướng tổ hợp đối với một hệ gồm 2 khe được xác định bởi: (3.5) Trong đó Le là khoảng cách hiệu dụng giữa các khe khi có tính đến trường ở vùng biên. Ap dụng lý thuyết nhân đồ thị phương hướng, ta có trường bức xạ của anten vi dải bằng: (3.6) Trong mặt phẳng E (mặt phẳng vuông góc với trục của khe, hay mặt phẳng Oxy, ), công thức (3.6) trở thành: (3.7) Còn trong mặt phẳng H (mặt phẳng Oyz, ), công thức (3.6) trở thành: (3.8) Các công thức này đúng với các góc nằm trong giới hạn 00 – 1800 (nghĩa là đúng cho nửa không gian phía trên của màn chắn). Các hình 3.4.2. a và b biểu diễn đồ thị phương hướng của anten vi dải trong các mặt phẳng E và H tại tần số f=10 Ghz với W = 11.86mm, =2.2 và L=9.06mm. Cả hai đồ thị này đều được so sánh với kết quả thực nghiệm. Công thức này sẽ không được chính xác tại khu vực gần đế điện môi. Sự bức xạ từ đáy của đế điện môi thường nhỏ hơn giá trị lý thuyết khoảng 6dB tại 00 và 1800. Một số bức xạ cũng xuất hiện ở bán cầu dưới 1800 - 3600. Bức xạ tại bán cầu dưới sẽ nhanh chóng bị mất đi khi mặt phẳng đế điện môi rộng hơn bước sóng. Hình 3.4.2. Đồ thị bức xạ trong ví dụ 3.4.2. Anten phần tư sóng Khi chọn ta có anten phần tư sóng. Cấu trúc của loại anten này như sau: một trong hai khe được nối tắt với màn chắn kim loại, còn điểm tiếp điện được nối vào khe bên kia. Trong trường hợp này phần tử anten vi dải tương đương với một khe đơn. Nếu màn chắn là màn dẫn rộng vô hạn thì trường bức xạ trong mặt phẳng E sẽ có dạng đồng đều ở nửa không gian phía trên. Cường độ bức xạ giảm khoảng 6dB tại . Tuy nhiên nếu màn chắn có kích thước hữu hạn thì trường bức xạ trong mặt phẳng E sẽ không còn đồng đều nữa. Chẳng hạn khi màn chắn có kích thước , ta có giản đồ bức xạ như hình 3.4.3. Những chỗ mấp mô trên giản đồ phương hướng có thể giảm đi khi độ lớn của màn chắn đủ rộng. Hình 3.4.3. Anten vi dải ¼ bước sóng Trường bức xạ trong mặt phẳng H của phần tử ¼ bước sóng được xác định theo công thức: (3.9) với là góc hợp bởi trục khe và hướng quan sát nằm phía trên màn chắn. 3.5. Trở kháng vào anten vi dải Sơ đồ tương đương của anten vi dải nửa sóng được vẽ ở hình 3.5.1. Trở kháng vào của anten vi dải nói trên có thể được tính từ mạch tương đương. Hình 3.5.1. Mạch tương đương anten nửa sóng Điện trở bức xạ của mỗi khe sẽ là hàm phụ thuộc với độ rộng W của phiến vi dải, được xác định theo công thức: (3.10) Do phần tử vi dải được biểu thị như tập hợp của 2 khe song song nhau, nên điện trở vào sẽ bằng: (3.11) Sự tồn tại của điện kháng vào khi anten có độ dài đúng bằng là nguyên nhân mà ta cần giảm độ dài trên thực tế (tức là ) để có được cộng hưởng ở đầu vào. Mạch phối hợp trở kháng đầu vào có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 1 trong 2 kỹ thuật. Đối với các phần tử làm mạch độc lập, tiếp điện bằng cáp đồng trục 50 , có thể lựa điểm tiếp điện thích hợp bằng cách điều chỉnh khoảng cách l từ cạnh của phần tử đến điểm tiếp điện như hình 3.5.2, để đạt được điểm có trở kháng vào đúng bằng 50. Hình 3.5.2. Quan hệ trở kháng vào và chiều dài l Lưu ý rằng trở kháng sẽ bằng 0 tại tâm phần tử. Đôi khi người ta lợi dụng điều này để đặt các đinh tán hoặc lớp mạ qua các lỗ tại tâm anten vì no ảnh hưởng không đáng kể đến giản đồ bức xạ và chỉ làm thay đổi nhỏ đến tần số cộng hưởng. Trong các hệ anten vi dải gồm nhiều phần tử (dàn anten vi dải), cấp điện bằng đường dây dải tại cạnh của các phiến kim loại thì thường dùng bộ chuyển đổi phần tư bước sóng để biến đổi trở kháng vào tới các giá trị mà ta mong muốn. Anten phần tư bước sóng có trở kháng vào lớn gấp đôi so với anten nửa bước sóng. Trở kháng vào của anten có thể tính được từ mạch tương đương trên hình 3.5.3. Ta nhận được: (3.12) Hình 3.5.3. Trở kháng vào anten phần tư sóng Với các phần tử anten phần tư sóng, nếu chọn độ rộng W bằng nửa bước sóng, trở kháng vào sẽ là 240. Giá trị này khá cao, và tỷ số sóng đứng điện áp xảy ra khi trở khang của cáp là 50 được nối trực tiếp vào cạnh phần tử. Do đó phải đặt điểm tiếp điện cách xa cạnh 1 khoảng l, khoảng này có thể tìm được nhờ đồ thị vẽ trên hình 3.5.4. Đồng thời cũng có thể dùng bộ chuyển đổi phần tư sóng để biến đổi trở kháng vào tới các giá trị mà ta mong muốn. Hình 3.5.4. Quan hệ trở kháng vào và chiều dài l của anten phần tư sóng 3.6. Băng thông của anten vi dải Độ rộng băng thông của anten vi dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói cách khác, đó là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Độ rộng băng thông của một anten thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên một khoảng tần số nào đó. Hầu hết các anten trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1. Độ rộng băng tần của anten vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng ( , dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể được tính toán theo công thức kinh nghiệm sau: (3.13) Trong đó là độ rộng băng (Mhz) f là tần số hoạt động (Ghz) t là độ dày điện môi (inch) Để tăng độ rộng băng thông có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn vì khi thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất anten. 3.7. Phân cực của anten vi dải Anten vi dải có thể được chế tạo để nhận được trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực quay. Phân cực thẳng sẽ nhận được khi điểm tiếp điện được đặt vào giữa một cạnh của phiến kim loại. Hình 3.7 minh họa 2 trường hợp phân cực thẳng có hướng trực giao nhau. Phân cực quay có thể nhận được khi áp dụng các biện pháp tiếp điện thích hợp. Hình 3.7. Phân cực anten vi dải Theo lý thuyết, ta có thể tạo ra trường phân cực quay bằng cách tổ hợp 2 sóng phân cực thẳng vuông góc nhau, với góc lệch pha 900 giữa chúng. Đồng thời, ta co thể tạo ra 2 sòng phân cực thẳng trưc giao từ một phần tử anten vi dải hình vuông có kích thước L = W = , với việc tiếp điện riêng rẽ vào hai điểm nằm ở trung điểm hai cạnh kề nhau của phiến kim loại hình vuông ấy. Nếu dòng điện tiếp vào 2 điểm nói trên có góc lệch pha nhau 900 thì ta sẽ nhận được trường phân cực quay. Hình 3.7 b. mô tả việc tiếp điện dùng mạch hybrid chia công suất và tạo ra góc lệch pha 900 giữa 2 nhánh. Vì điện áp của hai nhánh có biên độ bằng nhau nên phân cực quay nhận được là phân cực tròn. Khi cấp điện vào các đầu khác nhau của hybrid sẽ nhận được trường quay có hướng quay khác nhau (quay phải hoặc quay trái). CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ANTEN BĂNG RỘNG ANTEN LOGA – CHU KỲ 4.1. Dải thông tần và dải tần công tác của anten 4.1.1. Dải thông tần Dải thông tần là một đặc tính quan trọng của anten. Đó là một dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo dạng. Thông thường trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số. Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, số, tín hiệu vô tuyến truyền hình...) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (anten phát) hoặc sức điện động thu được (anten thu) sẽ biến đổi, làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu. Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong fide. Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần số khác nhau sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, tốt nhất là phải đảm bảo được trong suốt dải tần số làm việc RA = const và XA = 0. Ngoài ra vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây méo dạng tín hiệu. Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế, độ rộng dải tần của anten chủ yếu được quyết định bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số. 4.1.2. Dải tần công tác Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc ở một tần số mà nó có thể làm việc ở một số tần số khác nhau. Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo được những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần . . . Dải tần số mà trong giới hạn đó anten làm việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten. Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể. Trong phần này giới thiệu các phương pháp mở rộng dải tần số của anten với ý nghĩa giảm nhỏ sự phụ thuộc của trở kháng vào và đặc tính bức xạ của anten với sự thay đổi của tần số. Căn cứ theo dải tần số công tác, có thể phân loại anten thành 4 nhóm: Anten dải tần hẹp (anten điều chuẩn): % ; Anten dải tần tương đối rộng: 10% < < 50% ; Anten dải tần rộng: ; Anten dải tần siêu rộng: ; Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác gọi là hệ số bao trùm dải sóng. 4.2. Phương pháp mở rộng dải tần số của anten chấn tử Đối với mọi loại anten chấn tử thì yếu tố quyết định dải tần số công tác của anten là sự phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số, còn đồ thị phương hướng của anten thường có hướng bức xạ ít thay đổi trong một dải tần khá rộng. Để giảm sự phụ thuộc vào tần số của trở kháng vào chấn tử, có thể áp dụng các biện pháp sau: - Giảm nhỏ trở kháng sóng của chấn tử, - Biến đổi từ từ thiết diện của chấn tử, - Hiệu chỉnh trở kháng vào của chấn tử, - Dùng nguyên lý kết cấu tự bù, - Áp dụng nguyên lý tương tự. Ta sẽ khảo sát phương pháp mở rộng dải tần anten theo nguyên lý tương tự, từ đó xây dựng lý thuyết anten điển hình áp dụng nguyên lý này là anten loga – chu kỳ. 4.3. Phương pháp thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tương tự Nguyên lý tương tự của điện động học có thể được phát biểu như sau: Nếu biến đổi đồng thời bước sóng công tác và tất cả các kích thước của anten theo một tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như đồ thị phương hướng, trở kháng vào ... sẽ không biến đổi. Hệ số tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ xích của phép biến đổi tương tự. Dựa vào nguyên lý trên có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau. Kích thước hình học của các khu vực ấy tỷ lệ với nhau theo một hệ số nhất định. Khi anten làm việc với một bước sóng nào đó thì sẽ chỉ có một khu vực của anten tham gia vào quá trình bức xạ. Khu vực này gọi là miền bức xạ của anten. Khi bước sóng công tác thay đổi thì miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển đến khu vực mà tỷ lệ kích thước hình học của các phần tử bức xạ với bước sóng giống như lúc trước. 4.4. Anten lôga - chu kỳ ( log – periodic antenna) Anten được tạo bởi tập hợp các chấn tử có kích thước và khoảng cách khác nhau và được tiếp điện từ một đường fiđe song hành chung như hình 4.4, các chấn tử nhận dòng từ fiđe theo cách tiếp điện chéo: Hình 4.4. Kết cấu của anten loga - chu kỳ Kích thước của các chấn tử và khoảng cách giữa chúng biến đổi dần theo một tỉ lệ, tỉ lệ này được gọi là chu kỳ của kết cấu: (4.1) Đặc tính kết cấu của anten lôga - chu kỳ được xác định bởi hai thông số chính là τ và góc α . Nếu máy phát làm việc ở tần số f0 nào đó, tần số này lại là tần số cộng hưởng của một trong các chấn tử thì trở kháng của chấn tử đó sẽ là điện trở thuần. Các chấn tử khác vẫn còn thành phần điện kháng, giá trị của điện kháng càng lớn khi độ dài của chấn tử này khác càng xa với chấn tử cộng hưởng, tức là chấn tử này càng xa chấn tử cộng hưởng. Khi đó chấn tử cộng hưởng được kích thích mạnh nhất. Các chấn tử không cộng hưởng có dòng điện chạy qua nhỏ nên trường bức xạ của anten được quyết định chủ yếu bởi bức xạ của của chấn tử cộng hưởng và một số chấn tử lân cận đó. Những chấn tử này tạo nên miền bức xạ của anten. Dòng điện trong các chấn tử của miền bức xạ có được do tiếp nhận trực tiếp từ fiđe và hình thành do cảm ứng trường của chấn tử cộng hưởng. Các chấn tử ở phía trước chấn tử cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn, sẽ có trở kháng vào dung tính, dòng cảm ứng trong chấn tử này chậm pha so với dòng trong các chấn tử có độ dài lớn hơn nó. Và ngược lại, các chấn tử ở phía sau chấn tử cộng hưởng có chiều dài lớn hơn, sẽ có trở kháng vào cảm tính, dòng cảm ứng trong chấn tử này sớm pha so với dòng trong các chấn tử có độ dài ngắn hơn nó. Các chấn tử nhận dòng từ fiđe theo cách tiếp điện chéo nên 2 chấn tử kề nhau có dòng điện lệch pha nhau 1800 cộng với góc lệch pha do truyền sóng trên đoạn fiđe mắc giữa 2 chấn tử đó. Từ tất cả các yếu tố trên, ta nhận được dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc lệch pha giảm dần theo chiều giảm kích thước anten. Với quan hệ pha như trên, nên chấn tử đứng trước chấn tử cộng hưởng sẽ thỏa mãn điều kiện chấn tử dẫn xạ, còn chấn tử tử dứng sau sẽ thỏa mãn điều kiện của chấn tử phản xạ. Bức xạ của anten chủ yếu do chấn tử cộng hưởng quyết định và sẽ được định hướng theo trục anten, về phía các chấn tử nhỏ hơn. Nếu tần số máy phát giảm đi, còn là (τ < 1) thì vai trò của chấn tử cộng hưởng sẽ được dịch chuyển sang chấn tử có độ dài lớn hơn kế đó, và ngược lại, nếu tần số tăng lên bằng thì chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sang chấn tử ngắn hơn kế đó. Ví dụ chấn tử l1 cộng hưởng tần số f1 , ta có l1 = λ1/2. Nếu tần số máy phát giảm xuống = τ f1 thì chấn tử cộng hưởng mới có độ dài (4.2) Ta thấy rằng ở các tần số (4.3) thì các chấn tử cộng hưởng có độ dài tương ứng là (4.4) Trong đó: n là số thứ tự các chấn tử là tần số cộng hưởng của chấn tử thứ n là độ dài của chấn tử thứ n Nghĩa là ứng với mỗi tần số , trên anten sẽ xuất hiện một miền bức xạ mà chấn tử phát xạ chính có độ dài là tương ứng. Như vậy miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển khi tần số công tác thay đổi, nhưng hướng bức xạ cực đại vẫn giữ nguyên. Lấy log hai vế của biểu thức (4.3) ta có ln fn = (n -1)lnτ + lnf1 (4.5) Ta thấy khi biểu thị tần số trên thang đo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ được lặp lại qua các khoảng giống nhau là lnτ, chính vì thế mà người ta gọi anten là anten Lôga - chu kỳ. Khi anten hoạt động ở tần số cộng hưởng thì các thông số điện như đồ thị phương hướng, trở kháng vào,… sẽ không có sự thay đổi. Nhưng ứng với các tần số trung tâm giữa các tần số cộng hưởng các thông số của anten sẽ bị thay đổi nhỏ. Ta cũng có thể cấu tạo anten sao cho trong khoảng giữa 2 tần số kề nhau các thông số biến đổi trong một giới hạn chấp nhận được. Đồ thị phương hướng của anten được xác định bởi số lượng chấn tử của miền bức xạ tác dụng, thông thường là khoảng 3-5 , và bởi tương quan biên độ và pha của dòng điện trong các chấn tử ấy. Các đại lượng này lại phụ thuộc vào các thông số hình học τ và α của kết cấu anten. Với α xác định, tăng τ thì số chấn tử thuộc miền bức xạ tác dụng cũng tăng, do đó đồ thị phương hướng hẹp lại. Nhưng nếu tăng τ quá lớn thì đặc tính phương hướng lại xấu đi vì lúc đó kích thước miền bức xạ tác dụng giảm do các chấn tử quá gần nhau. Giữ nguyên τ , giảm α đến một giới hạn nhất định nào đó sẽ làm hẹp đồ thị vì khi đó khoảng cách giữa các chấn tử lại tăng và do đó tăng kích thước miền bức xạ tác dụng. Các giá trị giới hạn của τ và α thường là τmax= 0.95; αmin = 100. Độ rộng dải tần anten của anten được xác định bởi kích thước cực đại và cực tiểu của các chấn tử : (4.6) Thực tế, giới hạn dải tần số của anten được chọn sao cho chấn tử cộng hưởng ở bước sóng cực đại chưa phải là chấn tử dài nhất mà còn 1 hoặc 2 chấn tử dài hơn đứng sau nó; chấn tử cộng hưởng ở bước sóng cực tiểu cũng chưa phải là chấn tử ngắn nhất mà trước nó còn có một vài chấn tử ngắn hơn. 4.5. Đặc điểm kết cấu anten loga chu kỳ và phương pháp tính toán Để đảm bảo đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng thẳng đứng không biến đổi khi thay đổi tần số công tác, anten được đặt nghiêng một góc ∆ so với mặt đất, sao cho độ cao tương đối của mỗi chấn tử so với mặt đất là đại lượng không đổi: (4.7) Khi đó độ cao tương ứng của miền bức xạ tác dụng – di chuyển dọc theo anten khi biến đổi tần số công tác – không thay đổi và do đó hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng thẳng đứng sẽ không biến đổi. Để tính toán anten loga – chu kỳ có thể áp dụng phương pháp giải hệ phương trình Kirchhoff đối với hệ chấn tử song song. Trong anten loga – chu kỳ thì các chấn tử đều được tiếp điện bởi đường fide chung (giữa hai chấn tử là một đoạn fide song hành mắc chéo), và độ dài của các chấn tử tương đương với một mạng 4 cực, còn mỗi chấn tử tương đương với một trở kháng có giá trị bằng tổng trở vào của chấn tử (khi có kể đến ảnh hưởng tương hỗ với các phần tử khác), ta có sơ đồ tương đương của anten như hình 4.5.1. Hình 4.5.1. Sơ đồ nguyên lý anten loga chu kỳ Theo hình vẽ thì quan hệ điện áp ở cửa của các tầng có thể được viết như sau: Đối với tầng I: (V0 : điện áp nguồn cấp điện) (4.8) Đối với tầng II: (4.9) Đối với tầng N: (4.10) Với là các dòng điện và điện áp cửa vào và cửa ra của tầng thứ N, còn là điện áp ra của tầng thứ N. Phương trình mạch điện đối với mạng 2 cửa thứ n được viết như sau: (4.11) Trong đó là dẫn nạp vào của đoạn dây truyền sóng khi đầu kia nối tắt. là dẫn nạp truyền đạt của đoạn dây truyền sóng khi đầu kia nối tắt. Từ lý thuyết đường dây, ta xác định được các dẫn nạp vào và dẫn nạp truyền đạt: (4.12) Với: là trở kháng của đường dây, d là độ dài của đoạn dây truyền sóng, là hằng số truyền lan phức. Áp dụng (4.11) ta có phương trình mạch điện đối với các tầng: Tầng I: (4.13) Tầng II: (4.14) ............... Tầng N: (4.15) Phương trình mạch tại các nút: (4.16) Từ việc xác định dòng điện trong các chấn tử theo các công thức (4.11) và (4.12), ta có thểđưa anten loga-chu kỳ về mô hình đơn giản gồm các chấn tử có độ dài thay đổi đặt song song cách nhau những khoảng cách nhất định dọc theo trục z ở các vị trí có tọa độ (hình 4.5.2). Mỗi chấn tử được tiếp điện bởi một nguồn riêng biệt có sức điện động Vn. Các kích thước ln và tọa độ zn được xác định khi cho trước các thông số của kết cấu như chu kỳ và góc mở α . Hình 4.5.2. Mô hình đơn giản của anten loga – chu kỳ Hệ phương trình Kirchhoff đối với hệ thống N chấn tử ghép khi có tính đến ảnh hưởng tương hỗ của các phân tử được viết dưới dạng: (4.17) Từ các phương trình trên ta có các bước tính toán đối với anten loga – chu kỳ: Bước 1: Thay (4.15), (4.16) vào (4.17) sẽ nhận được hệ mới gồm N phương trình. Giải hệ phương trình này được N nghiệm V1, V2,...VN . Thay các nghiệm này vào (4.15), (4.16) sẽ xác định được dòng điện trong các chấn tử I1, I2,...IN. Bước 2: theo giá trị các dòng đã tính được, ta tìm được hàm phương hướng của anten trong hai mặt phẳng chính theo công thức: Mặt phẳng H (mặt phẳng yOz): (4.18) Mặt phẳng E (mặt phẳng xOz): (4.19) Các góc là góc hợp bởi hướng khảo sát và trục Oz trong mỗi mặt phẳng E và H. Do cách mắc chéo nhau nên dòng điện trong 2 chấn tử kề nhau có dấu ngược nhau, vì thế có số hạng (-1)n trong công thức. Bước 3: Tính tổng trở vào của các chấn tử: (4.20) Tổng trở vào của anten: (4.21) Hệ số định hướng của anten có thể xác định gần đúng theo công thức: (4.22) trong đó và là độ rộng của góc, nửa công suất trong mặt phẳng E và mặt phẳng H. PHẦN II : THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MS-LPDA ANTENNA CHO HỆ THỐNG UWB 5.1. Các thông số anten loga chu kỳ Anten được chọn thiết kế là anten MS-LPDA ( Microstrip - Log Periodic Dipole Array antenna). Anten gồm một dãy những dipole nửa sóng được sắp xếp song song theo kỹ thuật loga chu kỳ đã giới thiệu ở trên. Các dipole nhận dòng từ fide cấp nguồn theo cách tiếp điện chéo. Hình 5.1. mô tả hình dạng của anten MS –LPDA cơ bản. Hình 5.1. Anten MS – LPDA Các thông số cơ bản của anten Chu kỳ kết cấu : (5.1) Trong đó : ln : chiều dài phần tử thứ n. Rn : khoảng cách từ phần tử ngắn nhất đến phận tử n dn,n-1 : khoảng cách giữa 2 phần tử Wn : bề rộng phần tử thứ n fn : tần số cộng hưởng của phần tử nửa sóng thứ n. Chu kỳ tần số: (5.2) Hệ số không gian: (5.3) Hệ số không gian trung bình : (5.4) Góc mở : (5.5) Băng thông miền hoạt động : (5.6) Chiều dài hệ thống : (5.7) (5.8) : hằng số điện môi hiệu dụng. (5.9) Số anten phần tử : (5.10) 5.2. Trình tự thiết kế anten MS-LPDA Xác định băng thông làm việc theo phương trình β = fn / f1. Đây là 2 tần số cao nhất và thấp nhất trong dải tần làm việc. Chọn giá trị τ và σ để quyết định độ lợi theo hình 5.2.1 Hình 5.2.1. Quan hệ τ và độ lợi Với : (5.11) Trong đó σopt = 0.258τ - 0.066 (5.12) Xác định góc α theo phương trình (5.5). Xác định hệ số băng thông miền hoạt động βar theo hình 5.2.2 hoặc công thức (5.6) . Hình 5.2.2. Băng thông βar theo các khác nhau Xác định băng thông của toàn hệ thống Xác định chiều dài hệ thống L, số phần tử anten N và phần tử dài nhất l1 theo các công thức (5.7), (5.8), (5.9), (5.10) Tính toán chiều dài và bề rộng các phần tử còn lại theo hệ sô τ (5.1). Xác định khoảng cách giữa phần tử d2,1 = 0.5(l1 – l2) cotα. Sau đó tính toán cho các phần tử còn lại theo τ. 5.3. Kích thước anten được thiết kế Một anten MS – LPDA được thiết kế theo các bước trên ứng với tầm tần số 2 – 8Ghz với hằng số điện môi ε = 2.3, độ dày lớp điện môi t = 0.98 mm. Tần số hoạt động (Ghz) 2 - 8 Hằng số điện môi hiệu dụng εeff 1.96 Độ dày điện môi (mm) 0.98 Chu kỳ kết cấu τ 0.9 Hệ số không gian σ 0.15 Góc mở α (0) 10 Số phần tử 16 Chiều dài hệ thống L (mm) 172 Chiều dài từ điểm cấp nguồn đến phần tử ngắn nhất 8 Chiều rộng đường cấp nguồn (mm) 4 Chiều dài phần tử dài nhất (mm) 53.5 Chiều rộng phần tử dài nhất (mm) 6 Bảng 5.3.1 Các thông số anten được thiết kế N Ln Wn Dn,n-1 1 53.5 6 2 48.15 5.4 16.05 3 43.34 4.86 14.45 4 39 4.38 13 5 35.1 3.94 11.7 6 31.59 3.54 10.53 7 28.43 3.19 9.48 8 25.59 2.87 8.53 9 23.03 2.58 7.68 10 20.73 2.32 6.91 11 18.65 2.09 6.22 12 16.79 1.88 5.6 13 15.1 1.69 5.04 14 13.6 1.53 4.53 15 12.24 1.37 4.08 16 11.02 1.24 3.67 Bảng 5.3.2. Kích thước các phần tử của anten (đơn vị mm) 5.4. Các kết quả mô phỏng Hình 5.4.1. Hình dáng anten mô phỏng với hệ trục tọa độ Hệ số phản xạ Hình 5.4.2. Hệ số S11 và SWR Hình 5.4.3. Đồ thị Smith Trong dải tần làm việc thì hệ số phản xạ S11  bé hơn -10dB tương ứng SWR bé hơn 2. Khắc khe hơn băng thông làm việc trong điều kiện SWR< 1.5 vẫn thỏa mãn. Đặc tính bức xạ Tại tần số 2.4Ghz Hình 5.4.4. Bức xạ của trường điện trong măt phẳng Oxy và Oyz Các thông số mô phỏng được Tại tần số 5 Ghz Hình 5.4.5. Bức xạ của trường điện trong tại tần số 5Ghz Các thông số tại 5Ghz: Hình 5.4.6. Đồ thị bức xạ 3D tại 5Ghz Tại tần số 7 Ghz Hình 5.4.7. Bức xạ của trường điện trong tại tần số 7Ghz Các thông số tại 7Ghz: Độ lợi anten : Hình 5.4.8. Độ lợi anten Độ lợi toàn băng thông đạt trên 7dBi, trong khi cực đại đạt gần 9.5 dBi và độ lợi trung bình đạt trên 8.5dBi. Anten có độ lợi khá tốt khoảng băng thông thiết kế. Hiệu suất bức xạ Hình 5.4.9. Hiệu suất bức xạ và hiệu suất anten Nhận xét Anten thiết kế thỏa mãn băng thông yêu cầu từ 2.2 đến 8Ghz (S11 < -10dB). Độ lợi anten khá cao, cực đại đạt gần 9.5 dBi. Hiệu suất anten và hiệu suất bức xạ trung bình khoảng 70%. Hướng bức xạ cực đại phù hợp kết quả lý thuyết, bức xạ về hướng phần tử ngắn nhất và ít thay đổi trong toàn băng (( 700,900) đến (800,900) trong nửa mặt phẳng z >0). Độ rộng nửa công suất dao động từ 350 đến 550. Tỉ số trước sau FBR (front – back ratio) trong mặt phẳng x-y khoảng trên 20dB còn trong mặt phẳng y-z trên 30dB. CHƯƠNG 6 : THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 6.1. Các số liệu ban đầu Để đánh giá chất lượng của anten, người ta thường dùng hệ số sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). Đây cũng chính là đại lượng đặc trưng cho khả năng phối hợp trở kháng của anten. Anten phối hợp trở kháng tốt thì hệ số sóng đứng càng nhỏ. Tùy theo yêu cầu của ứng dụng mà người ta đưa ra tiêu chuẩn về VSWR khác nhau. Thông thường người ta quy định VSWR < 2 hay S11 < -10dB. Đối với những ứng dụng khắc khe, người ta yêu cầu VSWR < 1.5. Các thông số trên được đo đạc trên máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 có tầm đo đến 8Ghz. Do điều kiện máy đo và không tìm được board cao tần với =2.3 nên anten được thi công trên PCB FR-4 với =4.6. Các kích thước được tính toán lại, khoảng băng thông thiết kế từ 2-8Ghz. Tần số hoạt động (Ghz) 2 - 8 Hằng số điện môi hiệu dụng εeff 3.65 Độ dày điện môi (mm) 0.98 Chu kỳ kết cấu τ 0.9 Hệ số không gian σ 0.15 Góc mở α (0) 10 Số phần tử 16 Chiều dài hệ thống L (mm) 110 Chiều dài từ điểm cấp nguồn đến phần tử ngắn nhất 5.5 Chiều rộng đường cấp nguồn (mm) 2.5 Chiều dài phần tử dài nhất (mm) 36.3 Chiều rộng phần tử lmax (mm) 3.8 Bảng 5.1.1. Các thông số anten được thiết kế để thi công N Ln Wn Dn,n-1 1 33.8 3.8 2 30.42 3.42 10.14 3 27.38 3.08 9.13 4 24.64 2.77 8.21 5 22.18 2.49 7.39 6 19.96 2.24 6.65 7 17.96 2.02 5.99 8 16.17 1.82 5.39 9 14.55 1.64 4.85 10 13.09 1.47 4.36 11 11.78 1.32 3.93 12 10.61 1.19 3.54 13 9.55 1.07 3.18 14 8.59 0.97 2.86 15 7.73 0.87 2.58 16 6.96 0.78 2.32 Bảng 5.1.2. Kích thước các phần tử của anten (mm) Nhận xét : Theo lý thuyết khi hằng số điện môi thay đổi thì các kích thước của anten sẽ nhân đại lượng , khi đó các đặc tính trở kháng vào, đặc tính bức xạ không thay đổi đáng kể. Như vậy khi anten giảm kích thước đi khoảng 1.36 lần thì không thay đổi nhiều trở kháng vào. Thực tế anten mới được giảm kích thước 1.6 lần, vì thế tần số cộng hưởng nhỏ nhất sẽ tăng (dịch chuyển về phía phải) và độ lợi giảm vì hằng số điện môi tăng. Trở kháng vào anten mô phỏng: Hình 5.1.1 Hệ số S11 anten thiết kế Hình 5.1.2. Độ lợi anten thiết kế Tần số cắt trái tại -10dB đã tăng lên (2.79Ghz), hoàn toàn phù hợp kết quả lý thuyết và độ lợi giảm, trung bình khoảng gần 6dBi. 6.2. Các kết quả đo đạc Hình 5.2.1 Anten được thiết kế Các kết quả đo đạc: Hình 5.2.2. Hệ số phản xạ ngõ vào (do Port 2 nên đo S22) Hình 5.2.3. Hệ số sóng đứng SWR Hình 5.2.4. Đồ thị Smith Nhận xét : Băng thông anten đo đạc thỏa tiêu chuẩn siêu băng rộng, băng thông đạt 7.61 – 2.81 = 4.8Ghz trong điều kiện SWR < 2. Khắc khe hơn với hệ số sóng đứng nhỏ hơn 1.5 thì băng thông đạt tiêu chuẩn trong khoảng 4.9Ghz – 7Ghz. Kết quả đo đạc có thể chấp nhận được phù hợp lý thuyết. Kết quả thực nghiệm khó có thể đạt như lý thuyết do quá trình thi công không đảm bảo chất lượng của bo mạch cũng như sai số kích thước và ngay cả quá trình hàn connector cấp nguồn vào anten. CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1. Kết quả đạt được Tìm hiểu về lý thuyết hoạt động cũng như những ứng dụng công nghệ mới UWB. Xây dựng lý thuyết anten, trong đó tìm hiểu sâu mô hình anten vi dải và anten loga chu kỳ, làm nền tảng cho việc thiết kế anten ứng dụng thực tế. Thiết kế, mô phỏng anten MS- LPDA dựa trên phần mềm IE3D. Thi công và đo đạc anten thực tế dựa trên điều kiện và thiết bị sẵn có. Đưa ra anten thực thỏa mãn các yêu cầu băng rộng và phối hợp trở kháng khá tốt đáp ứng tiêu chuẩn UWB. Đúc kết được một số kinh nghiệm khi thi công và đo đạc anten thực tế. 7.2. Hướng phát triển đề tài Hiện nay, hệ thống UWB đã có những ứng dụng đa dạng trong quân sự và dân sự. Do nhu cầu thông tin liên lạc của con người tăng lên, tốc độ dữ liệu từ đó cũng sẽ yêu cầu phải tăng theo. Vì thế việc nghiên cứu và phát triển các anten trong công nghệ này cũng phát triển theo. Hướng phát triển tương lai của đề tài sẽ tập trung vào: Đưa ra các mô hình anten nhỏ gọn hơn để có thể tích hợp vào các thiết bị cá nhân. Mở rộng băng thông cũng như tăng độ lợi để không chỉ đáp ứng cho UWB mà còn cho các ứng dụng ở siêu cao tần. Áp dụng các giải thuật tối ưu như giải thuật di truyền ( genetic algorithm) vào việc thiết kế để cải thiện chất lượng anten như băng rộng hơn hay độ lợi cao hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Richard C. Johnson,(1993), Antenna Engineering Handbook , McGraw Hill 3ed. [2] Leonard E. Miller, Why UWB? A Review of Ultrawideband Technology, Report to NETEX Project Office, DARPA, April 2003. [3] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư, (2005), Truyền sóng và Anten, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM. [4] Dimitris E. Anagnostou, John Papapolymerou, Manos M. Tentzeris and Christos G. Christodoulou, A printed Log-Periodic Koch-Dipole Array (LPKDA), IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.7,2008. [5] M. Pirai and H. R. Hassani, Size reduction of microstrip LPDA antenna with top loading, IEICE Electronics Express, Vol.6, No.21, 1528-1534, 2009. [6] Phan Anh (2007), Lý thuyết và kỹ thuật anten, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [7] Daegeun Kim, Qiang Chen, Kunio Sawaya, Microstrip Log-periodic Dipole Array Antenna, Proceedings of Isap2000, Fukuoka, Japan. [8] Vũ Đình Thành, (2003), Lý thuyết cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM. [9] Vũ Đình Thành, (2006), Mạch siêu cao tần, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM. [10] IE3D™ is a trademark of Zeland Software Inc., 2008.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docMicrostrip – log periodic antenna cho hệ thống UWB.doc
Luận văn liên quan