Đề tài Nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tình truyền đạt kiến thức của mình cho em trong suốt những năm học qua cũng như đã tạo điều kiện để em có thể thực hiện khóa luận này. Đồng thời em cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hà và chị Nguyễn Thị Tú Quỳnh,những người đã trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận. Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã cổ vũ,động viên em trong những lúc gặp khó khăn khi thực hiện khóa luận. Em xin chân thành cảm ơn tất cả. Tp Hồ Chí Minh , 9/7/2010 Sinh viên Phạm Phú Hưng LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng nhỏ hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối, … sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng băng rộng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten. Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System,1850 – 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 - 2170 MHz), đã được phát triển và xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350 MHz).Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp nên việc mở rộng băng thông thường là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thước và mở rộng băng thông đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Khóa luận tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải tuyến tính hình chữ nhật với kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm AWR nhằm làm rõ những đặc trưng cơ bản như đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng … của anten vi dải. Khóa luận gồm 3 chương : Chương 1 : Lý thuyết về anten và anten vi dải. Chương 2 : Giới thiệu phần mềm AWR. Chương 3 : Thiết kế,mô phỏng anten vi dải bằng AWR. Phần đầu trong chương 1 giới thiệu và định nghĩa anten cùng với các tham số cơ bản của nó như giản đồ bức xạ,hệ số định hướng,hệ số tăng ích…Phần tiếp theo trình bày sơ lược về lý thuyết anten vi dải,ưu và nhược điểm các loại anten vi dải và các kỹ thuật tiếp điện thường gặp cho chúng. Chương 2 trình bày một cách tổng quát về cách tổng quan về phần mềm thiết kế AWR,sơ lược cách sử dụng phần mềm. Chương 3 đi vào tính toán,thiết kế các tham số cần thiết cho một anten patch vi dải tuyến tính ghép khe hở và tiến hành mô phỏng nó trên phần mềm AWR.Cuối chương 3 là phần kết luận và đặt ra những hướng phát triển tiếp theo nhằm giúp đề tài hoàn thiện hơn. DANH MỤC HÌNH VẼ. Hình 2. 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR 36 Hình 2. 2 Môi trường thiết kế AWR 37 Hình 2. 3 Schematic và Netlist 39 Hình 2. 4 Sơ đồ hệ thống 40 Hình 2. 5 Cấu trúc EM 40 Hình 2. 6 Các thao tác trên cấu trúc EM. 41 Hình 2. 7 Layout 42 Hình 2. 8 Layout Manager. 43 Hình 2. 9 Truy xuât các tế bào layout trong Cell Libraries. 44 Hình 2. 10 Thiết lập tần số cho hệ thống VSS. 46 Hình 2. 11 Hộp thoại Enclosure. 48 Hình 2. 12 Định nghĩa một chất điện môi. 48 Hình 2. 13 Thiết lập thông số cho các lớp chất nền. 49 Hình 2. 14 Thiết kế vật dẫn cho cấu trúc. 50 Hình 3. 1 Ảnh hưởng của độ dày và hằng số điện môi của chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất của anten (với VSWR<2). 50 Hình 3. 2 Anten patch hình chữ nhật. 52 Hình 3. 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn 52 Hình 3. 4 Anten vi dải ghép khe hở. 57 Hình 3. 5 Thiết lập dãy tần số hoạt động cho anten. 66 Hình 3. 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu. 67 Hình 3. 7 Tạo lớp cho anten. 68 Hình 3. 8 Tạo vật dẫn cho anten. 68 Hình 3. 9 Tạo mặt phẳng đất. 69 Hình 3. 10 Định vị trí cho mặt phẳng đất. 70 Hình 3. 11 Thiết kế patch. 71 Hình 3. 12 Xác định vị trí cho patch. 71 Hình 3. 13 Đường truyền vi dải. 72 Hình 3. 14 Định vị trí cho đường nối vi dải. 72 Hình 3. 15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR. 73 Hình 3. 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải. 73 Hình 3. 17 Đáp ứng tần số của thông số S11 74 Hình 3. 18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều 75 Hình 3. 19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống. 75 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI MỞ ĐẦU ii DANH MỤC HÌNH VẼ. iv MỤC LỤC 1 Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 4 1. Lý thuyết chung về anten. 4 1.1. Giới thiệu anten. 4 1.2. Các tham số cơ bản của anten . 5 1.2.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten. 5 1.2.2. Giản đồ bức xạ. 6 1.2.3. Mật độ công suất bức xạ. 9 1.2.4. Cường độ công suất bức xạ. 10 1.2.5. Hệ số định hướng. 11 1.2.6. Hệ số tăng ích. 11 1.2.7. Phân cực. 12 1.2.8. Băng thông. 14 1.2.9. Trở kháng vào. 14 2. Lý thuyết chung về anten vi dải. 15 2.1. Giới thiệu. 15 2.1.1. Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải. 16 2.1.2. Cơ chế bức xạ. 17 2.2. Các loại anten vi dải thông dụng. 19 2.2.1. Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) 19 2.2.2. Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dipole Antenna) 21 2.2.3. Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna). 21 2.2.4. Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna). 22 2.3. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải. 23 2.3.1. Đường truyền vi dải (Microstrip Feed). 23 2.3.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed). 25 2.3.3. Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed). 26 2.3.4. Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed). 26 2.4. Mảng anten vi dải. 28 2.4.1. Giới thiệu. 28 2.4.2. Đường dẫn song song. 29 Chương 2. TÌM HIỂU PHẦN MỀM AWR 34 1. Giới thiệu phần mềm AWR. 34 2. Môi trường thiết kế AWR. 35 2.1. Các thành phần cơ bản của AWR. 35 2.2. Các thao tác cơ bản trên AWR. 37 2.2.1. Schematic và Netlist trong MWO/AO. 37 2.2.2. Sơ đồ hệ thống trong VSS. 38 2.2.3. Cấu trúc EM. 38 2.2.4. Tạo layout với MWO và AO. 40 2.2.5. Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra. 43 2.2.6. Biểu diễn mô phỏng. 44 Chương 3. THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI 50 1. Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế. 50 1.1. Chất nền. 50 1.2. Hình dạng patch. 51 1.3. Kỹ thuật tiếp điện. 52 2. Thiết kế,tính toán thông số. 53 2.1. Patch. 54 2.1.1. Chất nền. 54 2.1.2. Tần số thiết kế. 54 2.1.3. Mode cơ bản. 54 2.1.4. Tỉ số kích thước. 55 2.1.5. Chiều dài patch. 55 2.1.6. Chiều rộng patch. 55 2.1.7. Băng thông của patch. 56 2.1.8. Vị trí đặt patch. 57 2.2. Mặt phẳng đất. 57 2.3. Đường nối vi dải. 57 2.3.1. Chất nền. 58 2.3.2. Sóng trong đường truyền vi dải. 58 2.3.3. Độ rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải. 59 2.3.4. Giá trị quasi-static của trở kháng đặc trưng. 60 2.3.5. Độ phân tán trong đường truyền vi dải. 60 2.3.6. Độ rộng đường truyền vi dải. 62 2.4. Khe hở và nhánh cụt. 63 2.4.1. Vị trí đặt khe hở. 63 2.4.2. Độ dài khe hở. 63 2.4.3. Độ rộng khe hở. 64 2.4.4. Chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt. 64 2.4.5. Chiều dài nhánh cụt. 64 3. Thiết kế,mô phỏng bằng AWR. 65 3.1. Mô phỏng trên AWR. 66 3.1.1. Thiết lập thông số cho anten. 66 3.1.2. Thiết kế anten trên AWR. 69 3.2. Kết quả mô phỏng. 74 4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài. 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI Lý thuyết chung về anten. Giới thiệu anten. Thiết bị dùng để bức sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng điện từ (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten.Nói cách khác,anten là thiết bị chuyển tiếp một vòng kín của tín hiệu RF (Radio Frequency : tần số vô tuyến) và sự bức xạ,lan truyền của sóng điện từ trong không gian. Hình 1. 1 Anten,thiết bị dẫn sóng và bức xạ điện từ Thông thường,giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ,gọi là fide (như hình 1.1).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 này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.Ngược lại,anten thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do an ten phát truyền đi,phần còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian)và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồi truyền đến máy thu. Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền dẫn và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu. Các tham số cơ bản của anten . Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten. Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian,bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ.Trước hết,trường từ biến thiên sinh ra trường điện biến thiên,sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên.Quá trình này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H).Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian. Hình 1. 2 Các trường bức xạ ở khu xa. Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten,nó sẽ hình thành hai trường.Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần),trường này bị ràng buộc với anten,có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được gởi đến anten.Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình 1.2).Tại khu xa,chỉ có bức xạ được duy trì. Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ cùng một anten tạo nên trường điện từ.Trường điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự do.Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển.Trường khu xa là một sóng phẳng;khi sóng truyền đi,năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng dần theo khoảng cách.Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng. Giản đồ bức xạ. Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng.Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặc tính bức xạ và đặc tính định hướng của anten. Giản đồ bức xạ được là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không gian.Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công suất bức xạ,cường độ bức xạ,hệ số định hướng… Hình 1. 3 Hệ tọa độ phân tích của anten. Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế,đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten. Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng là một anten giả định,nó chuyển toàn bộ công suất đầu vào thành công suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng.Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế. Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại. Hình 1. 4 Bức xạ đẳng hướng. Hình 1. 5 Bức xạ hướng tính Hình 1.4 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.5 thể hiện bức xạ hướng tính của anten.Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao cho mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x,y hoặc z) như hình 1.5. Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân thành các loại sau : thùy chính,thùy phụ,thùy bên và thùy sau.Hình 1.6 minh họa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ ,như ta thấy một số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác.Hình 1.7 biểu diễn các thùy trong hình 1.6 trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D). Hình 1. 6 Các búp sóng trong không gian 3 chiều Hình 1.6. a Các búp sóng trong Thùy chính là thùy chứa hướng bức xạ cực đại,trong hình 1.6 thùy chính có hướng θ = 0.Trên thực tế,có thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính.Thùy phụ là bất kỳ thùy nào ngoài thùy chính.Thông thường,thùy bên là thùy nằm liền xác với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của thùy chính.Thùy sau là thùy mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 1800 so với thùy chính và thường định xứ ở bán cầu ngược với thùy chính. Hình 1. 7 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều Mật độ công suất bức xạ. Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫn sóng.Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tức thời : W = E × H (1.1) W = vector Poying tức thời (W/m2) E = cường độ điện trường tức thời (V/m) H = cường độ từ trường tức thời (A/m). Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín. (1.2) P = tổng công suất tức thời (W). n = vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt. da = vi phân diện tích của bề mặt (m2). Khi trường biến đổi theo thời gian,ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy tích phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ.Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng ejwt,ta định nghĩa được thành phần E và H,chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H theo công thức như sau : E (x,y,z)= Re [E(x,y,z) ejωt] =12 Re [Eejωt+E*e-jωt ] (1.3) H(x,y,z)= Re [H(x,y,z) ejωt] = 12 Re [Hejωt+H*e-jωt ] (1.4) Khi đó (1.1) có thể được viết lại : W = E × H = 12 Re [EH*] + 12 Re[EHej2ωt] (1.5) Thành phần đầu tiên của (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian với tần số bằng 2 lần tần số ω cho trước.Vector Poying trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình ) có thể được viết lại : Wavx,y,z=W(x,y,z;t)av=12Re[E×H*] (1.6) Dựa trên (1.6),công suất phát xạ trung bình của anten có thể được định nghĩa là : (1.7) Cường độ công suất bức xạ. Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc khối.Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và được xác định bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách : U = r2×Wrad (1.8) Trong đó U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối). Wrad là mật độ công suất bức xạ (W/m2). Tổng công suất bức xạ nhận được bằng cách tích phân cường độ bức xạ : Prad=UdΩ=02π0πsinθ dφdθ (1.9) dΩ=sinθ dφdθ là đơn vị góc khối (steradian). Hệ số định hướng. Hệ số định hướng (D) của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ của aten theo một hướng cho trước so với cường bức xạ trung bình theo tất cả các hướng.Nếu hướng không được xác định thì hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn. Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ của anten theo hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (U0). D=UU0=4πUPrad (1.10) Uo=Prad4π (1.11) Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau : Dmax=D0=UmaxU0=4πUmaxPrad (1.12) Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên). U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối). U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng . Prad là tổng công suất bức xạ (W). Trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức : D=32.400θ1θ2 (1.13) với θ1 , θ2 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính. Hệ số tăng ích. Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G).Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó.Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten. Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng và khoảng cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) theo hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1. Gθ,φ=Mật độ công suất theo hướng (θ,φ)Mật độ công suất của anten chuẩn (1.14) Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực).Trong thực tế,tham số này đã đưa ra tham số hiệu suất của anten , η , cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào. G=η×D (1.15) Phân cực. Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten.Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại. Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vector trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng.Một phân cực của anten có thể được phân loại như tuyến tính,tròn hay ellip. Hình 1. 8 Phân cực của anten a.Phân cực thẳng ; b. Phân cực tròn ; c. Phân cực ellip Đầu mút của vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ gọi là phân cực phải (clockwise_CW) và quay ngược chiều kim đồng hồ gọi là phân cực trái (counterclockwise_CCW). Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thể được biểu diễn như sau : E (z;t) = axE x (z;t) + ayE y(z;t) (1.16) Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phần tức thời và thành phần phức : E x (z;t) = Re [Ex ej(ωt+kz)] = Re [Ex0 ej(ωt+kz+θx)] = Ex0cos(ωt+kz+θx) (1.17) E y(z;t) = Re [Ey ej(ωt+kz)] = Re [Ey0 ej(ωt+kz+θy)] = Ey0cos(ωt+kz+θy) (1.18) Với Ex0 , Ey0 tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần theo trục x và trục y. Phân cực thẳng Để bức xạ có phân cực thẳng, độ lệch pha theo thời gian giữa hai thành phần phải là : ∆φ=φx-φy=nπ n=0,1,2,3……. (1.19) Phân cực tròn Phân cực tròn có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ bằng nhau và có độ lệch pha theo thời gian giữa chúng phải bằng số lẻ lần π2 .Tức là : |E x |=|E y| Ex0= Ey0 (1.20) ∆φ=φx-φy=+12+ 2nπ với n=0,1,2…..(đối với CW)-12+ 2nπ với n=0,1,2…..(đối với CCW) (1.21) Phân cực elip Phân cực elip có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ không bằng nhau và có độ lệch pha theo thời gian là số lẻ lần π2 hoặc độ lệch pha của hai thành phần không phải là bội của π2 (không quan tâm đến biên độ của chúng). |E x |≠|E y| Ex0≠ Ey0 (1.22) ∆φ=φx-φy=+12+ 2nπ với n=0,1,2…..(đối với CW)-12+ 2nπ với n=0,1,2…..(đối với CCW) (1.23) hoặc ∆φ=φx-φy≠±n2π=>0 đối với CW<0 đối với CCW (1.24) Băng thông. Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định.Băng thông có thể là khoảng tần số,về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng),ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào,độ rộng búp sóng,hướng búp sóng,giản đồ,phân cực,cấp thùy bên,…) đạt giá trị có thể chấp nhận được. Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm. BW=fmax-fminf0×100% (1.25) Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực…của anten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau.Tùy các ứng dụng cụ thể,yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp. Trở kháng vào. Trở kháng vào của anten có thể được xác định bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó hay tỉ số điện áp trên dòng điên hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tương ứng tại cùng một điểm.Ở đây,ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đầu vào của anten.Tỉ số điện áp trên dòng điện ,trong trường hợp không có tải,xác định trở kháng của anten : ZA=RA+XA (1.26) Với ZA là trở kháng đầu vào của anten (Ω) RA là điện trở của anten tại các đầu vào (Ω) XA là kháng trở đầu vào của anten (Ω) Nói chung thành phần điện trở trên bao gồm 2 thành phần : RA=Rr+Rl (1.28) Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (Ω) Rl là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (Ω) Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần số.Do đó anten chỉ phối hợp tốt với đường tiếp điện ở trong cùng một dải tần nào đó.Hơn nữa,trở kháng vào của anten còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố kháng như : hình dạng anten,kỹ thuật tiếp điện,các yếu tố xung quanh…Do sự phức tạp của nó,chỉ một lượng giới hạn các anten thực tế được nghiên cứu,phân tích tỉ mỉ.Với các loại anten khác ,trở kháng vào được xác định bằng thực nghiệm. Lý thuyết chung về anten vi dải. Giới thiệu. Các khái niệm đầu tiên của anten vi dải được đưa ra bởi Deschamp (1953),Gutton và Baissinot (1955).Tuy nhiên,mãi đến những năm 70,khi các yếu tố kỹ thuật được đáp ứng đầy đủ (chất nền tốt,các mô hình lý thuyết đầy đủ hơn,…),thì anten vi dải mới được phát triển mạnh mẽ với các ưu điểm nổi bật như khối lượng nhẹ,thể tích nhỏ,giá thành thấp,cấu trúc đơn giản,thích hợp với các mạch tích hợp… Hình 1. 9 Cấu trúc đơn giản của anten vi dải Hình 1.9 mô tả cấu trúc đơn giản nhất của một anten vi dải bao gồm một patch bức xạ nằm trên một nền điện môi (ϵr≤10) và một mặt phẳng đất (ground plane) nằm ở mặt còn lại của chất nền.Chất dẫn patch,thường bằng đồng hoăc vàng,có nhiều hình dạng khác nhau nhưng các dạng thông thường nói chung là thường được sử dụng để dễ phân tích cũng như tính toán hiệu suất. Hằng số điện môi (ϵr) của chất nền đóng vai trong quan trong nhất đối với hoạt động của anten vi dải.Nó ảnh hưởng đến đăc tính trở kháng,tần số cộng hưởng,băng thông,hiệu suất…của anten.Trong điều kiện lý tưởng,hằng số điện môi nên có giá trị thấp (ϵr≤2.5) để mở rộng vùng viền (fringing field)_vùng được dùng để giải thích cho quá trình bức xạ của anten vi dải.Tuy nhiên,do các yêu cầu đặc trưng khác nên trên thực tế ta thường sử dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn (ϵr≤10). Ưu điểm và hạn chế của anten vi dải. Anten vi dải có nhiều ưu điểm khi so sánh với các anten microwave thông thường khác và các ứng dụng của nó trải khắp dải tần số băng rộng 100 MHz-100GHz.Một số ưu điểm nổi bật của anten vi dải là : Trọng lượng nhẹ,thể tích nhỏ,cấu trúc phẳng và mỏng nên dễ chế tạo. Giá thành sản xuất thấp,thích hợp với sản xuất số lượng lớn. Dễ có được phân cực tuyến tính và phân cực tròn với các kỹ tiếp điện thuật đơn giản. Dễ dàng được tích hợp với các mạch tích hợp microwave. Mạch phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được thực hiện đồng thời trên cùng một cấu trúc anten. Tuy nhiên anten vi dải cũng có những hạn chế nhất định khi so sánh với các anten microwave thông thường : Khó kết hợp và có băng thông hẹp (chỉ 0.5-10%). Độ lợi thấp (~ 6 dB). Suy hao lớn trong cấu trúc đường tiếp điện của mảng anten. Đa số các anten vi dải chỉ bức xạ trong một nửa không gian. Muốn các mảng anten có hiệu suất cao thì phải sử dụng các cấu trúc tiếp điện phức tạp. Xuất hiện bức xạ nhiễu từ đường tiếp điện và mối nối. Xuất hiện sóng mặt. Khả năng điều khiển công suất thấp (~100W). Giới hạn hệ số tăng ích cực đại (~20 dB). Có nhiều phương pháp để tối thiểu hóa các hạn chế của aten vi dải.Ví dụ như ta có thể tăng băng thông lên 60% bằng các kỹ thuật đặc biệt ; các hạn chế về độ lợi và công suất có thể được khắc phục khi dùng các cấu trúc mảng anten … Cơ chế bức xạ. Bức xạ của anten vi dải có thể được xác định bởi phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất.Nói cách khác bức xạ của anten vi dải có thể được biểu diễn bởi phân bố dòng bề mặt của patch.Việc tính toán một cách chính xác phân bố dòng hay trường của patch rất phức tạp nên ta có thể sử dụng các tham số đơn giản và các thuật toán xấp xỉ để khái quát mô hình làm việc cua anten vi dải. Hình 1. 10 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten vi dải. Giả sử anten patch vi dải được nối với một nguồn microwave.Năng lượng trên patch sẽ tạo nên các điện tích phân bố ở mặt trên và dưới của patch.Quá trình tương tự xảy ra ở mặt phẳng đất (hình 1.10).Anten patch có độ dài khoảng nửa bước sóng nên các phân bố điện tích được hình thành như hình 1.10 .Phân bố điện tích này được kiểm soát bởi hai cơ chế tương tác giữa các điện tích : Lực đẩy giữa các điện tích giống nhau ở đáy patch có xu hướng làm đẩy các điện tích ở đáy và cạnh lên bề mặt trên của patch. Lực hút giữa các điện tích trái dấu ở đáy của patch và mặt phẳng đất,lực hút này giữ các điện tích tập trung ở đáy của patch. Sự di chuyển của các điện tích dưới sự tương tác của các lực trên tạo nên các dòng chảy trên bề mặt và đáy của patch (Jb;Jt) .Đa số các anten vi dải có h/W rất nhỏ nên lực hút giữa các điện tích trái đấu chiếm ưu thế và hầu hết các điện tích tập trung dưới đáy patch.Chỉ một lượng nhỏ điện tích từ các cạnh lên trên bề mặt patch nên dòng do nó tạo ra rất nhỏ.Do đó thành phần tiếp tuyến từ trường được tạo ra cũng rất nhỏ,ta có thể xấp xỉ nó bằng 0.Hơn nữa độ dày h của chất nền thường là rất nhỏ so với bước sóng nên trường biến đổi dọc theo h có thể xem là không đổi và điện trường thì gần như trực giao với bề mặt patch.Như vậy patch có thể được mô hình hóa như là một hốc cộng hưởng với tường điện ở bề mặt và đáy cùng với bốn tường từ ở xung quanh bốn cạnh của patch.Bốn mép của hốc cộng hưởng sẽ biểu diễn bốn khe hẹp,ở đó quá trình bức xạ sẽ diễn ra. Hình 1. 11 Phân bố điện trường của patch ở mode TM 100 a) b) Hình 1. 12 Phân bố từ của patch ở mode TM 100 a.Phân bố từ ở khe phát xạ ; b. Phân bố từ ở khe không phát xạ. Như ta thấy ở hình 1.12, bức xạ của hai khe nằm dọc theo trục x (dọc theo L) bằng không do hai phân bố dòng cùng độ lớn và ngược nhiều nhau.Ở hai khe dọc theo trục y (dọc theo W), hai phân bố dòng cùng độ lớn và cùng pha nên chúng có khả năng bức xạ.Như vậy bức xạ của patch có thể được biểu diễn bằng 2 khe dọc như hình 1.13. Hình 1. 13 Anten vi dải với khe bức xạ tương đương Các loại anten vi dải thông dụng. Anten vi dải được đăc trưng bởi nhiều tham số vật lý.Chúng có thể được thiết kế với nhiều hình dạng và hướng khác nhau.Một cách tổng quát ta có thể chia anten vi dải ra làm bốn loại cơ bản : anten patch vi dải, anten vi dải lưỡng cực, anten vi dải khe mạch in và anten vi dải sóng chạy. Anten patch vi dải (Microstrip Patch Antenna) Một anten patch vi dải,có dạng hình học phẳng hoặc không phẳng,nằm trên một mặt của chất nền, mặt phẳng đất nằm ở mặt còn lại của chất nền.Thiết kế anten patch chủ yếu tập trung vào đặc tính bức xạ của nó.Các loại được sử dụng phổ biến được mô tả ở hình 1.14, chúng có đặc tính bức xạ gần giống nhau mặc dù hình dạng khác nhau.Các loại anten patch vi dải hình chữ nhật hay hình tròn được sử dụng nhiều nhất.Thông thường chúng có độ lợi từ 5 – 6 dB và có độ rông búp sóng ~ – 3dB ở 700- 900. Hình 1. 14 Các dạng anten patch vi dải thường dùng Ngoài ra,còn có những anten patch vi dải dùng cho các ứng dụng đặc biệt như trong hình 1.15. Hình 1. 15 Các hình dạng khác của anten patch vi dải Anten vi dải lưỡng cực (Microstrop Dipole Antenna) Về mặt hình học, anten vi dải lưỡng cực chỉ khác anten patch hình chữ nhật ở tỉ lệ của chiểu rộng và chiều dài (hình 1.16).Chiều rộng của một anten lưỡng cực thường nhỏ hơn 0.05λ0.Thành phần bức xạ của anten vi dải lưỡng cực và anten patch cũng tương tự nhau do chúng đều có phân bố dòng theo chiều dọc.Tuy nhiên điện trở bức xạ và băng thông của chúng lại rất khác nhau.Vi dải lưỡng cực không những có nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ, phân cực tuyến tính…mà nó còn là lựa chọn thích hợp với yêu cầu hoạt động ở tần số cao,khi độ dày của chất nền lớn. Anten khe mạch in (Printed Slot Antenna). Anten khe mạch in có một khe trên mặt phẳng đất.Khe này có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng trên thực tế, chỉ một số loại khe được sử dụng như hình 1.17. Giống như anten patch vi dải,anten khe có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải hay sóng dẫn phẳng . Anten khe có thể bức xạ ở cả 2 chiều của khe. Hình 1. 16 Anten vi dải lưỡng cực Hình 1. 17 Anten vi dải khe mạch in Anten sóng chạy vi dải (Microstrip Traveling-Wave Antenna). Anten sóng chạy vi dải gồm các dải dẫn điện tuần hoàn hoặc một đường truyền vi dải đủ dài để hỗ trợ TM mode (hình 1.18).Đầu cuối của anten sóng chạy được phối ghép với một mạch phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng phản xạ trong đường truyền. Hình 1. 18 Anten sóng chạy Các đặc trưng của anten patch vi dải, anten khe vi dải ,anten vi dải lưỡng cực được biểu diễn trong bảng 1.1. Anten patch vi dải Anten vi dải khe hở Anten vi dải khe mạch in Cấu hình Mỏng Mỏng Mỏng Chế tạo Rất dễ Dễ Dễ Phân cực Tuyến tính,tròn Tuyến tính,tròn Tuyến tính Hình dạng Bất kỳ hình dạng nào Đa số là hình chữ nhật hoặc tròn Hình chữ nhật và tam giác Bức xạ nhiễu Có tồn tại Có tồn tại Có tồn tại Băng thông 2-50% 5-30% ~30% Bảng 1.1 Bảng so sánh các đặc trưng của các loại anten. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải. Có nhiều kỹ thuật được phát triển để tiếp điện cho anten vi dải, nổi bật như các kỹ thuật dùng đường vi dải (microstrip line), cáp đồng trục (coaxial feed), ghép gần (promixity coupled) và ghép khe hở (aperture coupled).Việc lựa chọn kỹ thuật tiếp điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.Vấn đề được quan tâm nhiều nhất khi tiếp điện là hiệu suất chuyển đồi công suất giữa cấu trúc phát xạ và đường truyền, sự phối hợp trở kháng giữa chúng, trở kháng của các thành phần gây ra hiện tượng sóng mặt và bức xạ nhiễu như các mối nối,chốt chuyển tiếp…Các bức xạ không mong muốn có thể sẽ làm tăng mức thùy phụ và biên độ phân cực chéo trong thành phần bức xạ.Vì vậy,cần tính toán kỹ thuật tiếp điện sao cho tối thiểu hóa các bức xạ nhiễu và ảnh hưởng của nó. Đường truyền vi dải (Microstrip Feed). Cấu trúc trường của đường truyền vi dải. Sóng truyền trên đường vi dải là sóng có gần với dạng sóng TEM (quasi-TEM).Điều này có nghĩa là trên đường truyền vi dải có vài vùng trong đó chỉ có thành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng.Hình 1.19 thể hiện giản đồ điện từ trường của một đường truyền vi giải cơ bản. Trên cấu trúc đường truyền vi giải,giản đồ quasi-TEM xuất hiện.Bởi vì bề mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí nên các đường sức điện từ không liên tục tại mặt tiếp giáp này. Một phần năng lượng của điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần được lưu trữ trong chất nền điện môi. Hằng số điện môi hiệu dụng đối với đường truyền có giá trị nằm ở khoảng giữa hằng số điện môi của không khí và hằng số điện môi của chất nền. Hình 1. 19 Cấu trúc đường truyền vi dải Tiếp điện bằng đường truyền vi dải Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải là một lựa chọn tự nhiên vì có thể xem patch là phần mở rộng của đường truyền vi dải và ta có thể chế tạo cả hai đồng thời.Việc ghép nối đường truyền vi dải với patch có thể thực hiện như ở hình 1.20a hoặc 1.20b. b) Hình 1. 20 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải Phương pháp ghép cạnh như hình 1.20 a có nhược điểm là trở kháng vào của patch tại cạnh bức xạ lớn hơn nhiều lần so với trở kháng của đường truyền vi dải (50Ω). Để khắc phục hạn chế này ta có thể ghép thêm một mạch phối hợp trở kháng giữa patch và đường truyền.Tuy nhiên nó làm tăng bức xạ nhiễu,đồng thời phương pháp này cũng không thích hợp trong ứng dụng mảng anten (không có đủ không gian vật lý). Hình 1.20b biểu diễn một phương pháp ghép nối tiến bộ hơn, trong đó được truyền vi dải được đặt vào trong patch một đoạn l.Tham số l được lựa chọn sao cho trở kháng vào của anten là 50Ω. Tiếp điện bằng đường nối vi dải rất dễ thiết kế và chế tạo nhưng lại gây ra bức xạ nhiễu lớn và là nguyên nhân tạo ra phân cực chéo.Vì vậy,kỹ thuật này thường được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu hiệu suất cao và cần có đường tiếp điện phẳng. Băng thông đạt được khoảng 3-5%. Tiếp điện bằng cáp đồng trục (Coaxial Feed). Kích thích anten thông qua cáp đồng trục là phương pháp cơ bản nhất để truyền công suất microwave.Cáp đồng trục với lõi đồng bên trong được tiếp nối với anten vi dải qua khe hở ở mặt phẳng đất.Một anten thường sử dụng cáp đồng trục loại N như hình 1.21.Cáp đồng trục được ghép vào mặt sau của mạch in,sau đó lõi của nó sẽ đi qua chất nền và được tiếp nối với patch.Vị trí tiếp nối sẽ được tính toán,lựa chọn để có được phối hợp trở kháng tốt nhất. Hình 1. 21 Tiếp diện bằng cáp đồng trục Cũng giống như tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng cáp đồng trục có ưu điểm là dễ thiết kế và chế tạo.Hơn nữa,thông qua việc xác định tiếp điểm ta có thể kiểm soát được mức trở kháng vào,tạo thuận lợi cho việc phối hợp trở kháng.Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có một số hạn chế nhất định : Trong ứng dụng mang anten,tiếp điện bằng cáp đồng trục yêu cầu nhiều tiếp điểm.Điều này làm cho việc chế tạo gặp nhiêu khó khăn và anten có độ bền thấp (do cần nhiều mối khoan và hàn). Đối với những ứng dụng yêu cầu băng thông cao, ta phải sử dụng anten có chất nền dày, làm tăng độ dài của cáp đồng trục.Điều này đồng nghĩa với việc làm tăng bức xạ nhiễu,công suất sóng mặt và tăng trở kháng trong đường dẫn. Ghép gần (Proximity Coupled Microstrip Feed). Kỹ thuật này sử dụng 2 lớp chất nền, patch được đặt ở lớp trên và đường truyền đặt ở lớp dưới ; lớp dưới cùng là mặt phẳng đất .Patch và đường truyền được nối với nhau nhờ tụ tự nhiên.(hình 1.22).Ưu điểm của phương pháp này là có thể hạn chế được nhiễu từ đường truyền và cung cấp băng thông rộng hơn (khoảng 13%) bằng cách tăng độ dày chất nền của patch và giảm độ dày chất nền của đường truyền.Ngoài ra,việc patch được đặt trên hai chất nền cũng là một nguyên nhân làm tăng độ rộng của băng thông.Ta cũng có thể có được sự phối hợp trở kháng khi kiểm soát chiều dài của đường truyền và tỉ lệ chiều rộng/chiều dài (W/L) của patch. Hình 1. 22 Kỹ thuật ghép gần Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo vì hai lớp chất nền đòi hỏi phải có độ định tuyến chính xác.Mặc khác,vì đường truyền không còn nằm trên mặt hở nữa nên người thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn. Ghép khe hở (Aperture-Coupled Microstrip Feed). Kỹ thuật ghép khe hở gồm hai lớp chất nền được chia tách bởi mặt phẳng đất, patch đặt ở lớp trên được ghép nối điên từ đường truyền đặt ở lớp dưới qua một khe hở ở mật phẳng đất (hình 1.23).Khe hở này có thể có nhiều hình dạng,kích thước và được thiết kế sao cho cải thiện được độ rộng của băng thông cũng như bức xạ của anten. Chiều dài khe (La) : thông số này chọn sao cho bức xạ từ khe bằng với bức xạ từ patch ngược trở xuống đồng thời phải phù hợp với trở kháng. Chiều rông khe (Wa) : thông số này ảnh hưởng đến mức độ ghép nối,tuy nhiên ảnh hưởng này không đáng kể.Thông thường độ rộng khe thường bằng 1/10 chiều dài patch. Hai lớp chất nền cũng được lựa chọn sao cho tối ưu hóa đường truyền và các hàm bức xạ độc lập với nhau.Ví dụ,chất nền của đường truyền phải mỏng và có hằng số điện môi cao trong khi chất nền của patch phải dày và có hằng số điện môi thấp.Hơn nữa,nhờ có hiệu ứng màn che của mặt phẳng đất, bức xạ từ đường truyền không thể gây can nhiễu bức xạ của patch, giúp ta dễ có được sự phân cực thuần. Hình 1. 23 Kỹ thuật ghép khe hở Hạn chế của kỹ thuật ghép gần là khó chế tạo liên kết rãnh và các lớp chất nền đều có yêu cầu định tuyến phải chính xác. Đặc tính Đường truyền vi dải Cáp đồng trục Ghép gần Ghép khe hở Bức xạ nhiễu từ đường truyền Nhiều Nhiều Ít Ít nhất Độ bền Tốt Thấp (do các mối khoan và hàn) Khá Khá Chế tạo Dễ Yêu cầu khoan và hàn Yêu cầu định tuyến Yêu cầu định tuyến Khả năng có phân cực thuần Khó Khó Khó Tốt Phối hợp trở kháng Dễ Dễ Dễ Dễ Băng thông (sau khi phối hợp trở kháng) 2-5% 2-5% 13% 21% Bảng 1.2 So sánh các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải. Từ bảng 1.2 ta nhận thấy kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải bằng phương pháp ghép gần là tốt nhất so với các kỹ thuật còn lại. Mảng anten vi dải. Giới thiệu. Trong nhiều ứng dụng, một phần tử vi dải có thể thỏa mãn được các yêu cầu về kỹ thuật, đặc tính.Tuy nhiên,đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông cao, khả năng điều khiển và quét búp sóng…thì chúng ta phải kết hợp các phần tử bức xạ dưới dạng một mảng anten.Các phần tử trong mảng anten có thể được phân bố tuyến tính, phẳng hay hình khối.Mảng anten tuyến tính có các phần tử đặt theo một đường thẳng với khoảng cách xác định.Tương tự, các phần tử của mảng anten phẳng được phân bố trong cùng một mặt phẳng và mảng anten khối có phần tử phân bố trong không gian ba chiều.Trong thực tế,tùy từng ứng dụng cụ thể mà ta chọn kiểu phân bố cho các phần tử bức xạ một cách hợp lý. Một cách tổng quát,ta có thể xác định được các đặc trưng của mảng anten khi biết được phân bố khẩu độ của nó.Vì vậy các phân bố pha và biên độ của tại mỗi phần tử bức xạ thường được xác định trước và các kỹ thuật tiếp điện cũng cần được tính toán cẩn thận để đạt được phân bố cần thiết. Có hai kỹ thuật tiếp điện cho mảng anten là tiếp điện song song và tiếp điện nối tiếp. Đường truyền trong kỹ thuật tiếp điện song song có một ngõ vào và nhiều ngõ ra liên tục với nhau.Các ngõ ra này được ghép nối với từng phần tử bức xạ.Còn trong kỹ thuật tiếp điện,năng lượng được truyền trên một đường truyền duy nhất.Đường truyền này ghép nối với các phần tử bức xạ,được bố trí dọc theo một đường thẳng, bằng các kỹ thuật ghép nối như cáp đồng trục,ghép gần,ghép khe hở… Nhìn chung, mạch tiếp điện có nhiều hạn chế ảnh hưởng đến hiệu suất, độ lợi của mảng anten như suy hao điện môi, chất dẫn;suy hao sóng mặt và bức xạ nhiễu từ các điểm không liên tục như mối nối, điểm chuyển tiếp… Đường dẫn song song. Đường dẫn song song một chiều: Cấu hình cơ bản của đường dẫn song song một chiều với hai cách phân chia công suất được mô tả ở hình 1.24. Hình 1. 24 Cấu trúc song song a.Cấu trúc đối xứng b. Cấu trúc bất đối xứng. Đối với phân bố khẩu độ đều,công suất thường được chia đều đến các mối nối.Tuy nhiên,ta cũng có thể chọn tỉ lệ chia công suất khác nhau nếu muốn tạo ra phân bố hình chuông trên mảng anten.Nếu khoảng cách giữa các phần tử bức xạ được thiết kế giống nhau,vị trí búp sóng sẽ độc lập với tần số và ta cũng có được đường dẫn băng rộng. Ngoài ra,nếu phối hợp với bộ tiền định pha hay mở rộng đường truyền như hình 1.25, hướng của búp sóng sẽ được kiểm soát. Hình 1. 25 Các kỹ thuật bức xạ búp sóng lệch. a)Mở rộng đường truyền. b)phân bố lệch bộ chia công suất. c)Định pha Đường dẫn song song hai chiều: Đường dẫn song song một chiều có thể được phân bố ở dạng hai chiều như hình 1.26.Trong đó,cấu trúc mảng con cơ bản có thể được mở rộng thành các mảng lớn hơn với 2n phần tử bức xạ mỗi bên để tạo nên một cấu trúc đối xứng. Nếu các phần từ bức xạ lẻ, ta phải dùng bộ chia không đều để tạo ra phân bố khẩu độ đều. Hình 1. 26 Cấu trúc đường dẫn song song hai chiều Đường dẫn nối tiếp. Có hai cách để phân bố các phần tử bức xạ trong cấu trúc đường dẫn nối tiếp : mảng anten chuyển vị và mảng anten không chuyển vị (hình 1.27). Đối với mảng không chuyển vị (hình 1.27a),để tạo ra búp sóng thẳng hướng,khoảng cách giữa các phần tử bức xạ thường là λg. Còn mảng chuyển vị,vì các phần tử bức xạ kế cận nhau lệch pha 1800 (do cấu trúc ghép nối đường dẫn),khoảng cách giữa các phần tử là λg/2 để tạo ra búp sóng đúng hướng yêu cầu.Vì vậy mảng chuyển vị có tạo ra búp sóng trên góc quét rộng hơn mà không tạo thùy nhiễu. Theo hình 1.27,ta có thể dễ dàng nhận thấy số phần tử bức xạ của cấu trúc đường dẫn nối tiếp sẽ ít hơn cấu trúc song song. Hạn chế của cấu trúc này là băng thông hẹp và tồn tại một độ dịch búp sóng do sự dịch pha của patch tạo ra.Tuy nhiên,bằng cách điều chỉnh các tham số của mảng một cách thích hợp ta có thể giữ cho độ lệch búp sóng ở mức thấp. Hình 1. 27 Cấu trúc đường dẫn nối tiếp a.Mảng không chuyển vi b. Mảng chuyển vị Mảng cộng hưởng Mảng anten nối tiếp có phần tử phát xạ cuối cùng được mắc với mạng mạch hở hay nối tắt có độ dài bằng ½ hoặc ¼ bước sóng được gọi là mảng cộng hưởng.Mạch tương đương của mảng cộng hưởng được biểu diễn ở hình 1.28.Khoảng cách giữa các phần tử bức xạ có thể là λg hoặc λg/2 tùy theo cách sắp xếp các phần tử (không chuyển vị hay chuyển vị).Đường dẫn cộng hưởng thường được dùng để tạo ra búp sóng ngang. Hình 1. 28 Mảng cộng hưởng Trong thiết kế,tổng dẫn của mảng được thiết kế bằng với tổng dẫn đặc trưng của đường truyền. y=n=0Ngn+j0=1 Với y là chuẩn hóa tổng dẫn vào của mảng, gn là chuẩn hóa điện dẫn bức xạ và N là tổng số phần tử bức xạ.Tổng dẫn vào của mảng bằng tổng các tổng dẫn vào của từng phần tử.Các giá trị điện dẫn liên quan được chọn tự do để có phân bố khẩu độ được yêu cầu. Mảng sóng chạy Một mảng nối tiếp được gọi là mảng sóng chạy khi phần tử cuối cùng của đường truyền được mắc với một tải phối hợp trở kháng (hình 1.29).Bộ phối hợp trở kháng này có chức năng hấp thu năng lượng còn dư để hệ thống có hiệu suất hoạt động tốt hơn.Tương tự như trường hợp cộng hưởng,các phần tử bức xạ dọc theo đường truyền có thể được bố trí với khoảng cách λg hoặc λg/2 ,tương ứng với bố trí không chuyển vị hoặc chuyển vị,để có búp sóng ngang.Khoảng cách này có thể tạo nên VSWR lớn do ngõ vào có sự kết hợp giữa các sóng phản xạ đồng pha.Để tránh hiện tượng này,các phần tử thường cách nhau lệch một khoảng nhỏ so với λg hoặc λg/2. Hình 1. 29 Mảng sóng chạy Nếu ta bỏ qua suy hao trên đường truyền,từ mô hình mạch tương đương (hình 1.30) ,ta có thể suy ra điện dẫn chuẩn hóa của phần tử bức xạ thứ n : gn=FNLL-1m=1NFm-m=1NFm Với FN là phân bố nguồn kích thích mong muốn (ví dụ như phân bố nguồn dòng Taylor..) N là tổng số phần tử bức xạ. L là phần tán xạ của công suất vào trong tải phối hợp trở kháng : L=PloadPin Trong thực tế ,L được chọn trong khoảng 5-10%. Hình 1. 30 Mạch tương đương của mảng sóng chạy Chương 2. TÌM HIỂU PHẦN MỀM AWR Giới thiệu phần mềm AWR. Môi trường thiết kế AWR bao gồm ba công cụ có thể cùng được sử dụng để tạo ra một hệ thống tích hợp và một môi trường thiết kế analog hoặc RF : phần mềm Visual System Simulator (VSS),Microwave Office (MWO) và Analog Office (AO).Ba phần mềm này được tích hợp đầy đủ trong môi trường AWR và cho phép lồng thiết kế mạch vào trong thiết kế hệ thống mà không cần phải rời khỏi môi trường thiết kế AWR. VSS cho phép chúng ta thiết kế và phân tích các thiết bị thông tin liên lạc từ đầu cuối đến đầu cuối.Chúng ta có thể thiết kế một hệ thống bao gồm tín hiệu điều chế,sơ đồ mã hóa,các khối kênh và các đo lường mức công suất của hệ thống.Khi mô phỏng một hệ thống,ta có thể sử dụng các bộ thu phát đã được định nghĩa trước trong VSS hoặc tự thiết kế ra các bộ thu phát từ các khối cơ bản.Tùy theo từng yêu cầu cụ thể về phân tích mà ta có thể dùng các đường cong BER,các đo lường ACRP,phổ công suất,các chòm sao…VSS còn cung cấp cơ chế điều chỉnh cho phép ánh xạ ngay lập tức các điều chỉnh trong thiết kế vào phần biểu diễn dữ liệu. MWO và AO cho phép ta thiết kế các sơ đồ mạch và cấu trúc điện từ (EM) từ một cơ sở dữ liệu mô hình điện mở rộng.Sau đó ,chúng tạo ra layout biểu diễn một cách tổng quát các thiết kế trên. AO cung cấp một môi trường riêng lẻ bao gồm các tập hợp công cụ có đầy đủ các chức năng cho các thiết kế analog hay RF. Hình 2. 1 Các bước thiết kế cơ bản trong môi trường AWR Môi trường thiết kế AWR. Các thành phần cơ bản của AWR. Để bắt đầu sử dụng chương trình AWR ta chọn thẻ Windown Start àPrograms àAWR 2009 àAWR Design Environment. Hình 2. 2 Môi trường thiết kế AWR Môi trường thiết kế AWR cung cấp các công cụ,các lựa chọn danh sách,thành phần,cửa sổ giúp ta có thể tạo ra các sơ đồ mạch tuyến tính hoặc không tuyến tính,thiết kế các cấu trúc điện từ (EM);đồng thời tạo ra layout của mạch,các sơ đồ hệ thống và biểu diễn các mô phỏng và đồ thị.Các thành phần chính yếu của AWR được trình bày trong bảng 2.1. Thành phần Miêu tả Menu Tập hợp các thành phần chủ yếu của VSS, MWO, AO và được đặt ở đỉnh của giao diện AWR. Toolbar Dãy các thẻ bên dưới menu, chứa các công cụ thường xuyên được sử dụng như tạo một sơ đồ mới, biểu diễn mô phỏng, điều chỉnh giá trị của các tham số hoặc biến…Tùy theo các hàm đang được sử dụng hoặc tùy theo môi trường thiết kế mà các thể này có thể hoạt động hoặc không. Project Browser Nằm ở cột bên trái của giao diện và là tập hợp các thành phần,dữ liệu xác định nên project đang hoạt động.Các biểu tượng được sắp xếp theo sơ đồ hình cây và bao gồm các sơ đồ,biểu đồ của hệ thống và cấu trúc EM,thiết lập tần số mô phỏng…Project Browser hoạt động ngay sau khi AWR được kích hoạt. Element Browser Bao gồm các phần tử mạch để thiết kế sơ đồ hoặc các khối hệ thống để xây dựng các sơ đồ hệ thống.Element nằm ổ cột bên trái của giao diện AWR,cùng với Project Browser. Work Space Là nơi ta thiết kế các sơ đồ,giản đồ, vẽ các cấu trúc EM, xem và chỉnh sửa layout hoặc các đồ thị. Tabs Tập hợp các thẻ nằm ở góc trái của giao diện cho phép ta chuyển đồi từ Project Browser sang Element Browser hay Layout Browser hoặc ngược lại. Bảng 2.1 Các thành phần cơ bản của AWR Các thao tác cơ bản trên AWR. Schematic và Netlist trong MWO/AO. Schematic là biểu diễn hình học của mạch trong khi Netlist miêu tả mạch dưới dạng ngôn ngữ.Một Project MWO/AO có thể có nhiều schematic và netlist tuyến tính hoặc không tuyến tính. Để tạo một schematic hoặc netlist ta chọn chuột phải trên dòng Circuit Schematic trong Project Browser và chọn New schematic or new netlist (hình 2.3). Khi ta đã đặt tên cho schematic hoặc netlist thì giao diện của schematic hoặc netlist sẽ được mở trong phần work space và Project Browser sẽ biểu diễn các biểu tượng mới như là các nút con bên dưới Circuit Schematic.Các nút con của schematic hay netlist mới tạo ra có đầy đủ các chức năng để xác định và mô tả schematic hay netlist (ví dụ như các chức năng cân bằng điều hòa hoặc tần số…). Hình 2. 3 Schematic và Netlist Sơ đồ hệ thống trong VSS. Một project VSS có thể có nhiều sơ đồ hệ thống.Để tạo một sơ đồ hệ thống ta chọn chuột phải trên dòng EM Structure trong Project Browser và chọn New EM Structure (hình 2.4).Sau đó ta đặt tên cho sơ đồ hệ thống vừa tạo ra. Cấu trúc EM. Cấu trúc EM là cấu trúc điện nhiều lớp. Để tạo một cấu trúc EM ta chọn chuột phải trên dòng EM Structures trong Project Browser và chọn New EM Structures (hình 2.5) Hình 2. 4 Sơ đồ hệ thống Hình 2. 5 Cấu trúc EM Chèn bảng vẽ vào cấu trúc EM. Trước khi vẽ vào một cấu trúc EM,ta phải xác định các thông số trong Enclosure như điều kiện biên,chất điện môi cho các lớp trong cấu trúc EM (hình 2.6).Để thiết kế tham số trong Enclosure, ta nhấp đôi chuột vào Enclosure bên dưới cấu trúc EM vừa tạo ra trong Project Browser, sau đó ta điền các thông tin cần thiết vào trong box vừa xuất hiện sau thao tác trên. Sau khi đã xác định thông số cho Enclosure ,ta có thể truy xuất các chức năng của Draw trên menu để vẽ các thành phần mong muốn vào cấu trúc EM như chất dẫn hình chữ nhật,các via… Hình 2. 6 Các thao tác trên cấu trúc EM. Ta có thể xem cấu trúc EM ở dạng 2D hoặc 3D bằng sử dụng View ở menu. Tạo layout với MWO và AO. Layout là biểu diễn vật lý của một mạch điện, trong đó, mỗi thành phần của giản đồ tương ứng với một tế bào layout.Trong môi trường thiết kế hướng đối tượng AWR , layout là một cách nhìn khác, đơn giản hơn, của mạch điện và được tích hợp chặt chẽ với giản đồ và cấu trúc EM. Mọi sự thay đổi trên giản đồ hay cấu trúc EM sẽ được tự động ánh xạ một cách tức thời lên layout biểu diễn chúng. Hình 2. 7 Layout Để tạo layout biểu diễn cho một giản đồ, ta kích hoạt giản đồ đó rồi chọn View à Layout . Chúng ta cũng có thể kích hoạt thẻ View layout trên toolbar để xem layout của giản đồ. Khi một layout được tạo ra, các tế bào layout mặc định sẽ được phân định tương ứng với các thành phần điện trong giản đồ như vi dải, ống dẫn sóng phẳng…Các thành phần trong giản đồ không được biểu diễn bằng các tế bào layout mặc định sẽ được biểu diễn với màu xanh dương trong giản đồ khi layout được tạo ra ; các thành phần không có tế bào layout mặc định sẽ được biểu diễn bằng màu đỏ. Khi đó,ta phải sử dụng Layout Manager để tạo hoặc nhập các tế bào layout tương ứng cho các thành phần trên. Ta cũng có thể vẽ trong layout bằng cách sử dụng công cụ Draw như phác họa chất nền, vẽ tụ , điều chỉnh DC cho bộ khử méo hoặc chèn các phần tử khác. Điều chỉnh các thuộc tính của Layout và các tính chất của bảng vẽ. Để điều chỉnh các thuộc tính của Layout cũng như các tính chất của bảng vẽ, tương tự với việc tạo ra các tế bào tương ứng cho các thành phần không có tế bào mặc định, ta chọn thẻ Layout ở góc trái bên dưới của giao diện. Khi đó giao diện Layout Manager sẽ thay thế giao diện Project Browser. Nút Layer Setup trong Layout Manager xác định các thuộc tính của layout như đặc điểm của bảng vẽ (màu sắc, các lớp thành phần,…), các đặc tính 3D như độ dày,lớp ánh xạ…Để thay đổi các thuộc tính này, ta chọn chuột phải ở Layer Setup rồi chọn Edit Drawing Layers.Ta cũng có thể nhập một tập tin xử lý lớp (layer process file_LPF) bằng cách chọn chuột phải ở Layer Setup rồi chọn Import Layer Definition. Hình 2. 8 Layout Manager. Nút Cell Libraries cho phép ta tạo ra các tế bào đồ họa cho các phần tử không có tế bào layout mặc định.Cell Editor cung cấp các công cụ đặc trưng như công cụ phối hợp ngõ vào, công cụ sao chép mảng, công cụ xoay chuyển tùy ý hoặc công cụ gộp nhóm,định hướng …Ta cũng có thể nhập các thư viện tế bào đồ họa như GDSII hay DXP vào môi trường thiết kế AWR. Sau khi tạo hoặc nhập thư viện tế bào,ta có thể theo đường dẫn đến thư viện và chọn các tế bào đồ họa theo mong muốn để đưa vào layout. Chọn các ký tự '+' hoặc '-' để mở rộng hoặc thu gọn các thư việc tế bào rồi chọn thư viện mong muốn.Các tế bào layout sẵn sàng hoạt động được biểu diễn ở giao diện bên dưới (hình 2.9).Để đặt một tế bào vào giao diện layout,ta chọn tế bào và kéo nó vào giao diện,thả chuột rồi xác định vị trí và click chuột để đặt nó vào. Để xuất một layout,ta kích hoạt giao diện layout rồi chọn Layout àExport.Để xuất một tế bào layout,ta chọn tên tế bào tương ứng trong Layout Manager,chọn chuột phải rồi chọn Export Layout Cell. Hình 2. 9 Truy xuât các tế bào layout trong Cell Libraries. Tạo đồ thị cho hệ số đo lường ở ngõ ra. Chúng ta có thể xem kết quả mô phỏng hệ thống hoặc mạch bằng nhiều loại đồ thị khác nhau.Trước khi biểu diễn các mô phỏng,ta tạo các đồ thị và chỉ rõ các dữ liệu hoặc các hệ số đo lường muốn được minh họa bằng đồ thị.Các hệ số đo lường có thể là độ lợi,nhiễu hay hệ số phân tán… Để tạo một đồ thị,ta chọn chuột phải trên nút Graphs của Project Browser rồi chọn New Graph.Sau đó ta đặt tên và chọn kiểu đồ thị.Một giao diện đồ thị trống sẽ hiện ra , đồng thời tên đồ thị sẽ được biểu diễn dưới nút Graphs trong Project Browser.Bảng 2.2 biểu diễn và miêu tả các loại đồ thị được hỗ trợ trong AWR. Để xác định dữ liệu cần được được minh họa bằng đồ thị, ta chọn chuột phải ở tên của đồ thị trong Project Browser rồi chọn Add Measurement, sau đó một hộp thoại Add Measurement sẽ hiện ra, cho phép ta lựa chọn từ danh sách tổng hợp các hệ số đo lường. Để so sánh đồ thị của các thiết lập mô phỏng khác nhau, khi giao diện đồ thị đang hoạt động, ta chọn GraphàFreeze Traces để thực hiện các thay đổi cần thiết khi chọn mô phỏng lần nữa. Kiểu đồ thị Mô tả chức năng Rectangular Biểu diễn các hệ số đo lườn theo trục x-y,thường biểu diễn theo tần số. Constellation Biểu diễn thành phần đồng pha (phần thực ) theo thành phần ngược pha (phần ảo) của tín hiệu phức. Smith Chart Biểu diễn tổng trở hay tổng dẫn thụ động trong biểu đồ hệ số phản xạ theo bán kính đơn vị. Polar Biểu diễn biên độ và pha của hệ số đo lường Histogram Biểu diễn hệ số đo lường như là một biểu đồ thống kê. Antenna Plot Biểu diễn kích thước quét (góc) và kích thước dữ liệu (độ lớn) của hệ số đo lường Tabular Biểu diễn hệ số đo lường dưới dạng các cột,(thường biểu diễn theo tần số). 3D Plot Biểu diễn hệ số đo lường trong biểu đồ ba chiều. Bảng 2.2 Các loại đồ thị trong AWR. Biểu diễn mô phỏng. Để chạy một mô phỏng trong một Project đã kích hoạt,chọn SimulateàAnalyze.Quá trình mô phỏng sẽ được chạy một cách tự động trên toàn bộ project, sử dụng các bộ mô phỏng thích hợp cho từng phần khác nhau của project (ví dụ như bộ mô phỏng tuyến tính,bộ mô phỏng không tuyến tính cân bằng điều hòa hay bộ mô phỏng cấu trúc EM phẳng 3D…) Thiết lập tần số mô phỏng. Để thiết lập tần số mô phỏng, ta nhấp đôi chuột vào nút Project Options trong Project Browser rồi chọn OptionsàProject Options.Trong hộp thoại hiện ra sau đó, ta chọn thẻ Frequencies rồi nhập giá trị tần số mong muốn.Theo mặc định, tất cả các giản đồ đều sử dụng tần số này để mô phỏng.Tuy nhiên ta cũng có thể viết lại tần số riêng cho từng giản đồ bằng cách chọn chuột phải ở tên của giản đồ, bên dưới Circuit Schematics trong Project Browser, và chọn Options.Sau đó chọn thẻ Frequencies ở hộp thoại, bỏ chọn ô Use project default rồi nhập giá trị tần số theo yêu cầu.Sau khi mô phỏng,ta có thể xem ngõ ra của nó trên biểu đồ rồi tiến hành điều chỉnh hoặc tối ưu nếu cần thiết. Mô phỏng hệ thông VSS. Để thiết lập tần số mô phỏng, ta nhấp đôi chuột vào nút System Diagram trong Project Browser rồi chọn Options à Default System Options . Sau đó ta nhập giá trị tần số vào thẻ Simulator trong hộp thoại . Hình 2. 10 Thiết lập tần số cho hệ thống VSS. Sau khi hoàn tất quá trình mô phỏng,ta có thể xem kết quả ngõ ra trong các đồ thị rồi tiến hành điều chỉnh hoặc tối ưu nếu cần thiết. Điều chỉnh và tối ưu mô phỏng. Bộ điều chình thời gian thực cho phép cho quan sát ảnh hưởng của việc điều chỉnh lên mô phỏng.Trong khi đó, bộ tối ưu thời gian thực sẽ cho ta thấy sự thay đổi của các biến và giá trị của các tham số mạch điện khi nó đang hoạt động với mục đích đạt được sự tối ưu trong mô phỏng. Ta có thể chọn thẻ công cụ Tune trên toolbar, chọn tham số cần điều chỉnh rồi lại chọn Tune để tiến hành điều chỉnh tham số. Khi ta điều chỉnh hoặc tối ưu,các giản đồ và layout biểu diễn tương ứng của nó sẽ tự động cập nhật. Khi chạy lại mô phỏng, chỉ những cổng được điều chỉnh sẽ thực hiện lại quá trình tính toán. Sử dụng bộ mô phỏng điện từ trường (EM). Bộ mô phỏng EM trong AWR sử dụng phương trình Maxwell để tính toán cấu trúc tương ứng từ hình dạng vật lý của một cấu trúc nào đó; nó có thể mô phỏng các cấu trúc có độ phức tạp cao đồng thời cung cấp những kết quả rất chính xác. Hạn chế của bộ mô phỏng EM là thời gian mô phỏng tăng theo hàm mũ của mức độ phức tạo của cấu trúc vì nó sử dụng các phương trình cơ bản để tính toán. Do đó, tối thiểu hóa độ phức tạp của cấu trúc mô phỏng để có được kết quả nhanh nhất là một quá trình rất cần thiết và quan trọng. Trong bài khóa luận này, việc thiết kế mô phỏng anten vi dải hoàn toàn dự trên bộ mô phỏng EM nên trong phần này,một số tính chất và thao tác cơ bản sẽ được trình bày nhẳm làm rõ hơn các đặc điểm và tính năng cũng như phương thức hoạt động của anten vi dải trong môi trường EM. Bộ mô phỏng EM trong MWO. Bộ mô phỏng EM và bộ mô phỏng mạch là hai kỹ thuật bổ sung cho thiết kế mạch; chúng có thể được sử dụng kết hợp với nhau để giải quyết các vấn đề khi thiết kế.MWO hỗ trợ một bộ tích hợp gồm nhiều bộ mô phỏng EM thông qua giao diện phần mềm là EM socket. Trong môi trường EM, ta có thể mô phỏng các cấu trúc 3D gồm nhiều miếng kim loại hoặc nhiều lớp điện môi.Các cấu trúc có thể có các đường dẫn bên trong các lớp điện môi hoặc mặt phẳng đất. Môi trường EM sử dụng phương pháp Galerkin Method of Moments(MoM) trong miền phổ, một phương pháp có độ chính xác rất cao trong việc phân tích các cấu trúc phẳng,vi dải… Các thao tác cơ bản khi sử dụng bộ mô phỏng EM. Trong phần 2.2.3,ta đã tìm hiểu cách tạo ra một cấu trúc EM (hình 2.5), trong phần này ta sẽ tiếp tục tìm hiểu các thao tác cơ bản khi sử dụng bộ mô phỏng EM. Thiết lập thông số cho Enclosure. Để xác định các loại vật chất và các chất điện môi cho mỗi lớp trong cấu trúc EM, đồng thời thiết lập các điều kiện biên, kích thước vật lý của cấu trúc và đơn vị ô lưới nhỏ nhất dùng để xác định chất dẫn trong cấu trúc ta thiết lập các thông số cho phần Enclosure, chọn nút Enclosure bên dưới cấu trúc EM đã được tạo ra trong Project Browser. Trong thẻ Enclosure,ta sẽ thiết lập các thông số cho cấu trúc EM như kích thước vật lý ở ô X_Dim và Y_Dim và kích thước ô lưới ở Grid_X và Grid_Y (hình 2.11) Hình 2. 11 Hộp thoại Enclosure. Trong thẻ Material Defs,ta xác định các loại điện môi chất nền và các loại chất dẫn cho cấu trúc.Trong thẻ này có 3 phần : phần Dielectric Definitions xác định các chất điện môi cho mỗi lớp;phần Conductor Definitions xác định các loại chất dẫn và phần Impedance Definitions xác định các loại trở kháng . Để định nghĩa các loại điện môi cũng như các loại chất dẫn mới ta chọn phần Add tương ứng với mỗi phần. Hình 2.12 là một ví dụ khi ta định nghĩa thêm một loại điện môi mới. Ngoài ra đối với chất dẫn,sau khi định nghĩa,ta có thể thiết lập theo các thông số khác như độ dày cho chúng trong thẻ Materials của hộp thoại. Hình 2. 12 Định nghĩa một chất điện môi. Thẻ Dieclectric Layer trong Enclosure là phần xác định số lớp có trong cấu trúc với các tham số thiết kế như độ dày của lớp và loại chất diện môi được sử dụng cho từng lớp.Bằng cách Insert hoặc Delete tăng có thể tăng giảm số lớp chất nền cho cấu trúc tùy theo thiết kế.Đồng thời,trong thẻ này ta còn có thể xác định điều kiện biên cho cấu trúc. Hình 2. 13 Thiết lập thông số cho các lớp chất nền. Tạo vật dẫn cho cấu trúc. Để tạo vật dẫn cho cấu trúc,trúc hết ta dùng công cụ Draws vẽ vật dẫn lên giao diện.Sau đó nhấp chuột lên vật dẫn,chọn chuột phải rồi chọn Shape properties để có bảng layout của vật dẫn và tích chọn ô Conductor để thiết lập tính chất là vật dẫn cho hình vừa vẽ.Trong bảng layout này,ta có thể thiết kế cho vật dẫn nào trên chất nền nào bằng cách chọn số thứ tự của lớp mong muốn trong EM layer và loại chất dẫn cho vật dẫn bằng cách chọn loại chất dẫn trong phần Material.(hình 2.14). . Hình 2. 14 Thiết kế vật dẫn cho cấu trúc Chương 3. THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI Ảnh hưởng của các thông số đến thiết kế. Chất nền. Bước đầu tiên trong việc thiết kế một anten vi dải là lựa chọn chất nền hợp lý.Các thông số của chất nền như độ dày và hằng số điện môi ảnh hưởng trực tiếp đến băng thông và hiệu suất của anten. Băng thông trở kháng của anten vi dải tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất Q của anten. Do đó,bằng cách thay đổi các hệ số của chất nền như độ dày h và hằng số điện môi εr ta có thể đạt được hệ số Q mong muốn nhằm cải thiện băng thông của anten. Q=Năng lượng tích trữ (stored energy)Năng lượng mất mát (lost Power) (3.1) Hình 3.1 biểu diễn ảnh hưởng của độ dày chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất của anten với hằng số điện môi là 2.2 và 10. Ta thấy rằng băng thông tăng đơn điệu với theo độ dày và giảm khi hằng số điện môi tăng. Hình 3. 1 Ảnh hưởng của độ dày và hằng số điện môi của chất nền tới băng thông trở kháng và hiệu suất của anten (với VSWR<2). Như vậy,tăng độ dày h và giảm hằng số điện môi εr sẽ làm tăng băng thông của anten.Nhưng việc tăng độ dày h của chất nền cũng gây ra những hạn chế sau : Làm tăng khối lượng và suy hao điện môi của anten. Làm tăng hiệu suất sóng mặt dẫn đến hiệu suất của anten giảm (hình 3.1). Làm tăng trở kháng tại điểm tiếp điện gây khó khăn trong việc phối hợp trở kháng. Đối với cái kỹ thuật tiếp điện như ghép bằng cáp đồng trục,độ dày chất nền tăng sẽ làm tăng dộ dài của cáp đồng trục,qua đó làm tăng bức xạ nhiễu. Do đó phải lựa chọn chất nền có độ dày và hằng số điện môi một cách thích hợp sao cho có được hiệu suất anten cao nhất. Chất liệu Chất tổng hợp Hằng số điện môi (εr) Tan δp Độ dài tiêu chuẩn (mm) RT/duroid 5870 PTFE Glass Fiber 2.33± 0.020 0.0012 0.127 0.254 0.381 0.508 0.787 1.575 3.175 RT/duroid 5880 PTFE Glass Fiber 2.20 ± 0.020 0.0009 0.127 0.254 0.381 0.508 0.787 1.575 3.175 ULTRALAM 2000 PTFE Woven Glass 2.40 – 2.60 ± 0.020 0.0019 0.101 0.256 0.373 0.482 0.762 1.524 RT/duroid 6002 PTFE Ceramic 2.94 ± 0.040 0.0012 0.127 0.254 0.508 0.762 1.524 3.048 RT/duroid 6006 PTFE Ceramic 6.15 ± 0.150 0.0019 0.254 0.635 1.270 1.905 2.540 RO4003C PTFE Ceramic 3.38 ± 0.05 0.0027 0.203 0.508 0.813 1.524 Bảng 3.1 Một số chất nền thông dụng. Hình dạng patch. Anten vi dải có patch hình chữ nhật là một trong những anten được sử dụng phổ biến nhất hiện nay nhờ các ưu điểm nổi bật của nó như đơn giản, dễ phân tích và thiết kế mà vẫn đáp ứng được các ưu cầu về băng thông, hiệu suất bức xạ. Hình 3. 2 Anten patch hình chữ nhật. Kỹ thuật tiếp điện. Như đã trình bày trong phần lý thuyết anten vi dải ở chương 1, có nhiều cách để tiếp điện cho anten vi dải như ghép cạnh,ghép bằng cáp trục,ghép gần hay ghép khe hở…Từ bảng so sánh 1.1, ta có thể thấy được kỹ thuật ghép khe hở là kỹ thuật có nhiều ưu điểm nhất vì ta có thể điều chỉnh nhiều tham số nhằm đạt được băng thông, hiệu suất cao nhất.Đồng thời bức xạ nhiễu trong kỹ thuật ghép khe hở cũng được tối thiểu nhờ hiệu ứng che chắn của mặt phẳng đất (ground plane).Vì vậy, trong quá trình thiết kế, ta sẽ chọn kỹ thuật ghép khe hở để tiếp điện cho anten. Hình 3. 3 Anten vi dải dùng kỹ thuật cấp nguồn Như trong hình 3.3, phần tiếp điện cho anten bao gồm một đường truyền vi dải có chiều rộng Wf,độ dày tf có chiều dài nhánh cụt là LS.Chất nền cho đường truyền vi dải được chọn theo nguyên tắc ngược lại so với chất nền được chọn cho patch.Tức là chất nền cho đường truyền vi dải phải có độ dày (hf) thấp và hằng số điện môi (εrf) cao nhằm hạn chế bức xạ nhiễu. Patch được tiếp điện bởi đường vi dải thông qua một khe hở trên mặt phẳng đất.Khe hở này có chiều rộng Wa, chiều dài La và được đặt tại vị trí (x0,y0). Thiết kế,tính toán thông số. Trong phần này,anten patch vi dải ghép khe hở được thiết kế với trọng tâm là đạt được băng thông rộng.Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật ghép khe hở là cho phép ta tối ưu bức xạ của patch và của đường nối vi dải một cách độc lập, đồng thời băng thông được mở rộng nhờ việc lựa chọn chất nền và sự kết hợp của hai hốc cộng hưởng (một do patch,một do khe hở tạo nên và kết hợp với patch ). Các thông số chính cần được thiết kế của anten vi dải được thể hiện ở bảng 3.2.Những yêu cầu này phù hợp với tần số hoạt động của vệ tinh Eurobird. Hình 3.3 biểu diễn cấu trúc hình học của anten patch vi dải ghép khe hở tuyến tính.Để anten đạt được băng thông tối đa, các yếu tố sau cần phải được thỏa mãn khi thiết kế : Kỹ thuật ghép khe hở. Chất nền của patch có hằng số điện môi thấp và độ dày lớn. Chất nền của đường nối vi dải có hằng số điện môi cao và độ dày nhỏ. Khe hở cộng hưởng. Đặc trưng Số liệu 1. Phân cực Tuyến tính 2. Dải tần fmin/fmax ,GHz 11.2 – 12.7 3. Tần số trung tâm f0 ,GHz 11.45 4. Bước sóng trung tâm λ0 ,mm 26.201 5. Băng thông 4.4 % Bảng 3.2 Các tham số ban đầu của anten. Patch. Các ký hiệu được dùng để tính toán thông số cho patch : WP là chiều rộng thực tế của patch (mm) f0P là tần số cộng hưởng của patch (GHz) εrP là hằng số điện môi của chất nền patch. LPeff là chiều dài mở rộng của patch (mm) ∆LP là độ mở rộng của chiều dài patch do hiệu ứng phụ (mm) LP là chiều dài thực tế của patch (mm). WP là chiều rộng thực tế của patch (mm). hP là độ dày của chất nền cho patch (mm) εrPreff là hằng số điện môi hiệu dụng của chất nền patch. Chất nền. Từ bảng 3.1,ta chọn RT/duroid 5880 làm chất nền cho patch : εrP=2.2±0.020 hP=1.575 mm. Tần số thiết kế. Hiệu ứng của khe hở ở mặt phẳng đất sẽ làm giảm tần số cộng hưởng của patch, từ 2-4% đối với chất nền mỏng (hP=0.01λ0-0.02λ0).Đối với chất nền có độ dày lớn (hP=0.06λ0), tần số thiết kế tối ưu có thể đạt được từ nhiều giá trị khác nhau của tỉ số QP giữa tần số patch và tần số của anten. QP=f0Pf0=1+∆f0Pf0 (3.1) Kết quả được biểu diễn ở bảng 3.3 cho các giá trị của QP, từ 1 – 1.5. Mode cơ bản. Mode TM100 được chọn là mode cơ bản (hP≪WP;LP>WP>hP) với tần số cộng hưởng : f0P=f0P(100)=150LPeffεrPreff (3.2) Tỉ số kích thước. qP=WP/LP (3.3) Tỉ số kích thước qP của patch ảnh hưởng đến băng thông của anten.Để phân cực của anten có độ thuần cao ta thường chọn qP trong khoảng 0.750-0.875.Giá trị qP thường được chọn là 0.8125. Khi tính được giá trị của chiều dài patch, ta có thể dựa vào (3.3) để tính giá trị của chiều rộng patch. Chiều dài patch. Chiều dài của patch là một thông số quan trọng trong thiết kế vì nó ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten và được tính theo công thức sau: LP=LPeff-2∆LP (3.4) LPeff=150f0PεrPreff (3.5) εrPreff=0.5εrP+1+εrP1+12hPWP (3.6) ∆LP=0.412hP(εrPreff+0.3)(WPhP+0.264)(εrPreff-0.258)(WPhP+0.8) (3.7) Phần mở rộng ∆LP của chiều dài patch còn được gọi là vùng viền. Ta có thể tính chiều dài patch theo công thức sau : LP=150QPf0PεrPreff-0.824hP(εrPreff+0.3)(BPLP+0.264)(εrPreff-0.258)(BPLP+0.8) (3.8) Với BP=qPhP (3.9) Kết quả tính toán chiều dài patch được biểu diễn trong bảng 3.3. Chiều rộng patch. Được tính theo công thức (3.3). Bảng 3.3 Kết quả tính toán giá trị các chiều của patch. Băng thông của patch. Băng thông của patch cho bởi công thức : bw=1632pŋP1εrPhPλ0WPLPC1×100,% (3.10) Với ŋP=PrPr+Pd+Pc+Psw≈PrPr+Psw=11+0.75πk0hP1-1/εrP3C1 (3.11) ŋP là hiệu suất bức xạ của patch , k0=2π/λ0 (3.12) p=1-0.1660520(k0WP)2+0.02283560(k0WP)4+0.009142(k0WP)2 (3.13) C1=1-1εrP+0.4(εrP)2 (3.14) Hiệu suất bức xạ và băng thông của patch được biểu diễn trong bảng 3.4. Bảng 3.4 Băng thông và hiệu suất bức xạ của patch. Vị trí đặt patch. Để đạt được sự tương tác từ tính cực đại, patch phải được đặt giữa anten . Mặt phẳng đất. Mặt phẳng đất hữu hạn thường làm tăng bức xạ nhiễu do ảnh hưởng từ các cạnh của nó dẫn đến kết quả làm thay đổi thành phần bức xạ, điện dẫn bức xạ và tần số cộng hưởng. Do đó, các chiều của mặt phẳng đất phải được chọn đủ lớn, sao cho nó có thể được xem như mặt phẳng vô hạn.Trên thực tế, chúng thường được thiết kế với giá trị là bội số của bước sóng. Các khảo sát thực tế với tần số cộng hưởng là một hàm của kích thước mặt phẳng đất cho thấy nếu kích thước các chiều mặt phẳng đất lớn hơn kích thước của patch một khoảng lớn hơn λ0/2 thì ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó lên tần số cộng hưởng.Một khảo sát khác lại cho thấy ảnh hưởng lên thành phần bức xạ của mặt phẳng đất có thể bỏ qua nếu kích thước các chiều của nó lớn hơn 2λ0 . Như vậy ta có thể chọn giá trị cho các chiều của mặt phẳng đất như sau : a=b~2λ0 , mm (a=b=53 mm) (3.15) Mặt phẳng đất có độ dày tg=17.5 μm. Đường nối vi dải. Hình 3. 4 Anten vi dải ghép khe hở. Các ký hiệu được dùng để tính toán thông số cho đường truyền vi dải : tf là độ dày của đường truyền vi dải (μm) Wf là chiều rộng thực tế của đường truyền vi dải(mm) Wfeff là chiều dài mở rộng của đường truyền vi dải (mm) ∆Wf là độ mở rộng của chiều rộng đường truyền vi dải do hiệu ứng phụ (mm) l là chiều dài đường truyền vi dải (mm). hf là độ dày của chất nền cho đường truyền vi dải (mm). εrf là hằng số điện môi của chất nền đường truyền vi dải. εrfeff là hằng số điện môi hiệu dụng của chất nền đường truyền vi dải εrfeff(f) là hằng số điện môi hiệu dụng phụ thuộc tần số của chất nên đường truyền vi dải Z0 là trở kháng đặc trưng (Ω) Z0f là trở kháng đặc trưng phụ thuộc tần số. (Ω) Chất nền. Theo những yêu cầu đã đưa ra và theo bảng 3.1, ta chọn RT/duroid 6006 làm chất nền cho đường truyền vi dải với các thông số : εrf=6.15±0.15 tanδf=0.0019 hf=0.635 mm. Chất liệu đồng được chọn làm chất liệu cho đường truyền vi dải với độ dày tf=17.5 μm Sóng trong đường truyền vi dải. Sóng truyền trên đường truyền vi dải không thật sự là sóng TEM (sóng TEM là sóng chỉ có thành phần ngang và tốc độ truyền của nó chỉ phụ thuộc vào bản chất của đường truyền, hằng số điện môi ε và hằng số từ thẩm μ.).Nguyên nhân là do đường truyền vi dải có cấu trúc không đồng nhất, các trường của nó trải dài ở cả hai môi trường, lớp không khí ở trên và lớp chất nền ở dưới.Do đó,vẫn tồn tại các thành phần điện trường và từ trường theo chiều dọc, đồng thời tốc độ truyền không chỉ phụ thuộc vào bản chất đường truyền mà còn phụ thuộc vào hướng vật lý của đường truyền vi dải. Sóng gần Quasi-TEM. Khi các thành phần trường theo chiều dọc ở mode cơ bản của đường truyền vi dải là rất nhỏ so với thành phần ngang, ta có thể bỏ qua sự tồn tại của chúng.Lúc này, mode cơ bản hoạt động gần như là mode TEM và ta có thể áp dụng các định lý truyền sóng của mode TEM cho mode cơ bản.Trường hợp này được gọi là xấp xỉ quasi-TEM và nó xuất hiện phổ biến ở dải tần hoạt động của đường truyền vi dải. Giá trị quasi-static của hằng số điện môi. Trong xấp xỉ quasi-TEM, môi trường không đồng nhất ‘không khí-chất nền’ của đường truyền vi dải sẽ được thay thế bằng một chất nền đồng nhất với một hằng số điện môi hiệu dụng.Lúc này,đường truyền vi dải sẽ được đặc trưng bởi hai tham số, hằng số điện môi hiệu dụng εrfeff và trở kháng đặc trưng Z0.Bằng phân tích quasi-static và các công thức gần đúng,ta có thể biểu diễn hai tham số trên bằng các công thức sau : εrfeff=0.5εrf+1+(εrf-1)FWfhf-(εrf-1)tf4.6hfWf (3.16) Với FWfhf=1+12hfWf-0.5+0.041-Wfhf2,Wfhf≤11+12hfWf-0.5,Wfhf≥1 (3.17) Các giá trị của đường truyền vi dải và các đặc trừng của nó được biểu diễn trong bảng 3.5. Độ rộng hiệu dụng của đường truyền vi dải. Wfeff=Wf+2∆Wf (3.18) Với ∆Wf=0.625πtf1+ln4πWftf ,Wftf≤12π0.625πtf1+ln2hftf ,Wftf≥12π (3.19) Giá trị quasi-static của trở kháng đặc trưng. Z0(0)=60εrfeff(0)ln8hfWfeff+0.25Wfeffhf ,Wfhf≤1120εrfeff(0)lnWfeffhf+1.393+lnWfeffhf+1.444-1 ,Wfhf≥1 (3.20) Độ phân tán trong đường truyền vi dải. Trên thực tế, đường truyền vi dải luôn luôn xảy ra hiện tượng phân tán vì vận tốc pha của nó không phải là hằng số mà phụ thuộc vào tần số.Kết quả là hằng số điện môi εrf cũng là một hàm theo tần số và ta có thể định nghĩa là bằng ký hiệu εrf(f).Để tính toán giá trị εrf, một công thức thực nghiệm được đưa ra với một tần số giới hạn cận trên mà tại đó ta có thể bỏ qua độ phân tán trên đường truyền. fstat=0.04Z0(0)hf[mm]εrfeff(f) (3.21) Với εrfefff là hằng số điện môi hiệu dụng phụ thuộc tần số cho bởi công thức : εrfefff=εrf-εrf - εrfeff(0)1+P (3.22) Với P=P1P2(0.1844+P3P4)10f0GHzhf[cm]1.5763 (3.23) P1=0.27488+Wfhf0.6315+0.5251+0.157f0GHzhf[cm]2 (3.24) P2=0.336221-exp-0.03442εrf (3.25) P3=0.0363exp-0.46Wfhf1-exp-f0GHzhf[cm]3.874.97 (3.26) P4=1+2.7511-exp-εrf15.9168 (3.27) Trở kháng đặc trưng phụ thuộc tần số cho bởi công thức : Z0f=Z00R13/R14R17 (3.28) Với R1=0.0389εrf1.4 (3.29) R2=0.267Wfhf7 (3.30) R3=4.766exp-0.388Wfhf0.641 (3.31) R4=0.016+0.0514εrf4.524 (3.32) R5=f0GHzhf[cm]28.84312 (3.33) R6=22.2Wfhf1.92 (3.34) R7=1.206-0.3144exp-R11-exp-R2 (3.35) R8=1+1.2571-exp-0.0389R3εrf1.674f0GHzhf[cm]18.3652.745 (3.36) R9=5.086R4R5εrf-16exp-R60.3838+0.386R41+1.2992R51+10εrf-16 (3.37) R10=0.00044εrf2.136+0.0184 (3.38) R11=f0GHzhf[cm]19.4761+0.0962f0GHzhf[cm]19.476 (3.39) R12=11+0.00245Wfhf2 (3.40) R13=0.9804εrfeff(f)R8-0.9603 (3.41) R14=0.9804-R9εrfeff(0)R8-0.9603 (3.42) R15=0.707f0GHzhf[cm]12.31.097 (3.43) R16=1+0.0503εrf2R111-exp-Wfhf6 (3.44) R17=R7-1-1.1241R12R16exp-0.026f0GHzhf[cm]1.15656-R15 (3.45) Độ rộng đường truyền vi dải. Bằng cách điều chỉnh độ rộng đường truyền vi dải Wf một cách thích hợp, ta có thể thiết lập cho trở kháng đặc trưng Z0f của đường truyền vi dải tại tần số trung tâm bằng 50Ω. Hằng số truyền sóng trên đường truyền có suy hao là một hàm phức: γ=α+jβ. Phần thực α là hằng số suy hao trên đường truyền có suy hao (nepe/đơn vị chiều dài), bao gồm suy hao điện dẫn αc(dB/mm)và suy hao điện môi αd (dB/mm). αd=εrfεrf-1εrfefff-1εrfeffftanδfλ0 (3.46) αc=1.38AfRShfZ0f 32-Wfeffhf232+Wfeffhf2 ,Wfhf≤1 6.1×10-5AfRSZ0fεrfefffhfWfeffhf+ 0.667WfeffhfWfeffhf+1.444 ,Wfhf≥1 (3.47) Với Af=1+hfWfeff1+1.25πln2πWftf ,Wfhf≤12π 1+hfWfeff1+1.25πln2Wftf ,Wfhf≥12π (3.48) RS=πf0μ0σc (3.49) σc=σf là độ dẫn diện của đồng (chất liệu được chọn cho đường nối vi dải).Lúc này,suy hao trên đường truyền sẽ là σc,d×l (dB),với l độ dài đường truyền tính từ điểm nối gốc đến tâm anten (như hình 3.4). Các kết quả tính toán cho đường truyền vi dải được biểu diễn trong bảng sau : Bảng 3.5 Giá trị được tính toán cho các tham số của đường truyền vi dải. Khe hở và nhánh cụt. Các tham số được sử dụng trong phần này : La : chiều dài khe hở (mm) LS : chiều dài thực tế của nhánh cụt (mm) LSeff : chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt (mm) ∆LS : phần mở rộng của chiều dài nhánh cụt (mm) Vị trí đặt khe hở. Vị trí khe hở phù hợp nhất là ngay dưới trung tâm patch, đó là vị trí mà trường từ đạt cực đại.Đường truyền vi dải sẽ được đặt ở phía góc phải tính từ trung tâm của khe hở. Độ dài khe hở. Chiều dài khe hở ảnh hưởng đến hiệu suất ghép nối và mức độ phóng xạ ngược lại từ đường truyền vi dải (bức xạ nhiễu).Chiều dài khe hở phù hợp nhất là : La=(0.1-0.2)λ0 (3.50) Trên thực tế, chiều dài khe hở thường được chọn trong khoảng 2.5mm - 5mm (0.095λ0-0.190λ0). Độ rộng khe hở. Độ rộng khe hở thường được chọn với giá trị bằng 10% chiều dài khe hở. Wa=0.1La (3.51) Chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt. Chiều dài nhánh cụt LS luôn được điều chỉnh cho đến khi phần ảo của trở kháng vào tại tần số thiết kế gần như bị triệt tiêu . Zin=Rin+jXin=R+jX-jZ0cot2πLSeffλ0 (3.52) Với R là phần thực và X là phần ảo của trở kháng vào trong trường hợp không có nhánh cụt.Chiều dài hiệu dụng của nhánh cụt cần được thiết kế sao cho Xin=0 : LSeff=λ02πεrfefffarctanXZ0 (3.53) Chiều dài nhánh cụt. Chiều dài nhánh cụt được tính bởi công thức : LS=LSeff-∆LS (3.54) Phần chiều dài nhánh cụt mở rộng, ∆LS , được tính toán bằng công thức thực nghiệm sau: ∆LS=hfg1g2g3g5g4 (3.55) Với: g1=0.434907εrfefff0.81+0.26εrfefff0.81-0.189Wfeffhf0.8544+0.236Wfeffhf0.8544+0.87 (3.56) g2=1+Wfeffhf0.3710.2358εrf+1 (3.57) g3=0.5274arctan0.084Wfeffhf1.9413 g2εrfefff0.9236 (3.58) g4=1+0.0377arctan0.067Wfeffhf1.4566-5exp0.036(1-εrf) (3.59) g5=1-0.128exp-0.75Wfeffhf (3.60) Kết quả tính toán cho các thông số của khe hở và nhánh cụt được trình bày trong bảng dưới đây: Bảng 3.6 Giá trị các tham số của khe hở và nhánh cụt. Thiết kế,mô phỏng bằng AWR. Từ phần trên ta có được những thông số quan trọng khi thiết kế anten là . Anten Chiều dài : a = 53 mm , chiều rộng : b=53 mm Patch LP=7.42 mm ; WP=6.029 mm ; tp=0.0175 mm Chất nền của patch RT/duroid 5880, εrP=2.2±0.020 hP=1.575 mm. Mặt phẳng đất tg=0.0175 mm Khe hở LP=3.49 mm ; Wa=0.35 mm Đường nối vi dải l=26.5 mm ; LS=1.6 mm ; Wf=0.972mm Chất nền của đường nối vi dải RT/duroid 6006 , εrP=6.15±0.15 hP=0.635 mm. ; tf=0.0175 mm Bảng 3.7 Thông số của anten cần thiết kế. Anten được thiết kế theo thông số trong bảng 3.7 có dãy tần hoạt động từ 11.05 – 12.6 GHz với băng thông 12.2% và tần số trung tâm là 11.78 GHz.Tuy không phải là tần số trung tâm được thiết kế ban đầu nhưng dãy tần số yêu cầu khi thiết kế (11.2 – 11.7 Ghz) cũng nằm trong dải tần này. Mô phỏng trên AWR. Thiết lập thông số cho anten. Như đã giới thiệu ở chương 2,đầu tiên ta sẽ tạo một cấu trúc EM trong môi trường AWR, sau đó vào ProjectàProject Properties để hiệu chỉnh các thông số cần thiết. Hình 3. 5 Thiết lập dãy tần số hoạt động cho anten. Như trong hình 3.5, ta sẽ thiết lập dãy tần số hoạt động cho anten.Trong Project Properties ta cũng có thể thiết lập các thông số khác như các đơn vị đo lường của các thông số. Tiếp theo ta tạo ra các chất liệu dùng để thiết kế anten như patch,chất nền,đường truyền vi dải,….Trong cấu trúc EM vừa tạo ra,ta chọn nút Enclosure. Tạo các chất nền và chất liệu cho vật dẫn : Như trong hình 3.6, trong thẻ Material Defs.,ta sẽ tiến hành tạo ra các chất nền dùng cho anten : rt5880(RT/duroid 5880) và rt6006 (RT/duroid 6006) với hằng số điện môi thích hợp. Đồng thời trong thẻ này,ta cũng tạo ra các chất liệu cần thiết dùng cho patch ,mặt phẳng đất và đường dẫn vi dải.Ở đây,ta tạo ra hai chất liệu mới là copper (đồng) với hằng số dẫn điện phù hợp cho chất liệu. Tạo ra các lớp cần thiết cho anten. Sau khi định nghĩa các dùng làm chất nền,ta tiến hành tạo các lớp cho anten bằng cách vào thẻ Delectric layers trong Enclosure và tạo ra các lớp cần thiết như hình 3.7 Hình 3. 6 Định nghĩa các chất nền và chất liệu. Hình 3. 7 Tạo lớp cho anten. Tạo vật dẫn Bước cuối cùng để chuẩn bị cho thiết kế anten là tạo các vật dẫn cần thiết cho anten với chất liệu đã được định nghĩa bên trên và độ dày thích hợp cho mỗi vật dẫn.Vào thẻ Materials trong Enclosure như hình 3.8. Hình 3. 8 Tạo vật dẫn cho anten. Tạo các đồ thị cho ngõ ra của anten. Để biểu diễn các kết quả của anten sau khi mô phỏng,ta thiết lập các đồ thị tương ứng với ngõ ra thích hợp. Cách tạo đồ thị như đã trình bày ở chương 2,trong quá trình này ta sẽ tạo ra đồ thị đo độ lớn return loss của anten theo tần số (hình 3.17). Thiết kế anten trên AWR. Thiết kế mặt phẳng đất. Để thiết kế mặt phẳng đất trong cấu trúc EM, ta dùng công cụ trong Draws để vẽ với kích thước chiều dài và chiều rộng đều là 53 mm.Điểm quan trọng khi thiết kế mặt phẳng đất là phẳng tạo một khe hở trên đó với kích thước như đã tính toán (hình 3.9). Sau khi vẽ xong,ta tiến hành chọn vị trí cho mặt phẳng đất trong layout.Chọn chuột phải trên mặt phẳng đấtàProperties,sau đó trong layout manager,ta đặt mặt phẳng đất nằm giữa lớp 2 và lớp 3, đồng thời chọn chất liệu cho nó là thickmetal (copper)(hình 3.10) Hình 3. 9 Tạo mặt phẳng đất. Hình 3. 10 Định vị trí cho mặt phẳng đất. Tạo patch. Tương tự như tạo mặt phẳng đất,để tạo patch cho anten ta dùng công cụ trong Draws vẽ patch với kích thước đã chọn vào cấu trúc EM và sau đó định vị trí cho patch.(hình 3.11 và hình 3.12). Hình 3. 11 Thiết kế patch. Hình 3. 12 Xác định vị trí cho patch. Tạo đường nối vi dải. Thực hiện tương tự như hai phần trên.Ngoài ra,trong phần thiết kế đường truyền vi dải ta phải gắn them egde port vào đầu đường nối để tiếp điện.Egde port này có điện trở là 50 Ω. Hình 3. 13 Đường truyền vi dải. Hình 3. 14 Định vị trí cho đường nối vi dải. Hình 3.18 trình bày cấu trúc hoàn thiện của anten được thiết kế trên AWR. Hình 3. 15 Cấu trúc của anten vi dải trong AWR. Trong AWR,ta có thể xem được cấu trúc anten vi dải đã thiết kế trong không gian 3D. Hình 3. 16 Cấu trúc 3D của anten vi dải. Kết quả mô phỏng. Để mô phỏng các kết quả ngõ ra của anten được thiết kế, ta tạo ra các đồ thị biểu diễn tương ứng với các tham số cần đo đạc.Cụ thể là ta sẽ tạo ra đồ thị biểu diễn hệ số sóng phản xạ S11 theo tần số. Kết quả được thể hiện như sau : Hình 3. 17 Đáp ứng tần số của thông số S11 Theo đó, ta dễ dàng thấy được công suất đầu vào được chuyển đến anten với hiệu suất lớn nhất ở tần số 11.3 GHz với S11= - 8.782 dB , lệch một khoảng nhỏ so với thiết kế ban đầu.Nguyên nhân là do ảnh hưởng bởi mối ghép giữa patch và khe hở nên tần số trung tâm bị dịch đi. Hình 3. 18 Anten vi dải sau khi chạy mô phỏng trong không gian 3 chiều Hình 3. 19 Bức xạ của anten vi dải nhìn từ trên xuống. Hình 3.18 và 19 biểu diễn bức xạ của anten trong không gian 3 chiều.Qua đó ta có thể thấy được anten chỉ bức xạ theo hướng trực giao với bề mặt patch và hướng ra ngoài không gian. Kết luận và hướng phát triển của đề tài. Với sự cố gắng và nỗ lực hết mình, khóa luận đã thực hiện được những điểm chính sau : Khóa luận đã trình bày những đặc trưng cơ bản của anten và anten vi dải,so sánh được những ưu điểm,nhược điểm giữa các loại anten vi dải cũng như giữa các cách tiếp điện cho chúng. Trong quá trình tính toán,thiết kế anten vi dải,khóa luận tập trung vào phân tích ảnh hưởng của các tham số đặc trưng như độ dày chất nền,hằng số điện môi,hình dạng patch…đến khả năng bức xạ,băng thông của anten…để đưa ra mô hình anten hợp lý cho thiết kế và trình bày các công thức liên quan để tính toán các thông số đó. Song song với quá trình nghiên cứu lý thuyết về anten,khóa luận cũng đi vào tìm hiểu và sử dụng phần mềm mô phỏng AWR để phục vụ cho quá trình mô phỏng anten được thiết kế.Phần AWR được sử dụng bởi tính năng mô phỏng mạnh mẽ của nó,đặc biệt là về phần đồ họa…Trong phần trình bày mô phỏng thiết kế bằng AWR,khóa luận nêu chi tiết các bước tiến hành nhằm làm rõ hơn cấu trúc của anten được thiết kế. Kết quả thu được từ mô phỏng được thể hiện trong các đồ thị biểu diễn của AWR. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện,khóa luận cũng gặp một số khó khăn nhất định Cấu trúc anten chọn mô phỏng chứa nhiều tham số , công thức tính toán phức tạp và khác nhau trong các tài liệu tham khảo khác nhau. Do đặc thù của AWR là dùng các công thức cơ bản để tính toán nên khi cấu trúc thiết kế phức tạp thì sẽ mất nhiều thời gian để chạy mô phỏng. Việc mô phỏng thiết kế lên AWR cũng gặp nhiều khó khăn , đặc biệt là phần thiết kế mặt phẳng đất (ground plane ) và khe hở trên nó. Do AWR không hỗ trợ công cụ cụ thể để thiết kế phần này nên việc mô phỏng chỉ mang tính tương đối và kết quả mô phỏng theo đó bị ảnh hưởng nhiểu. Để hoàn thiện thêm nên phát triển đề tài theo các hướng sau Tối ưu hóa anten vi dải đã thiết kế trên AWR để thu được kết quả chính xác hơn. Nghiên cứu các phương pháp tăng băng thông của anten như tăng độ dày của chất nền,dùng các thành phần bức xạ xếp chồng …. Nghiên cứu các phương pháp cải thiện mức độ phối hợp trở kháng cho anten. Có thể mở rông anten vi dải đơn thành mảng anten vi dải để thu được hiệu suất bức xạ lớn cũng như tăng băng thông hoạt động. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh: Doktoringenieur , “Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach” , 2005. Daniel Ng Shei Yong ,”UHF Microstrip Antenna Design And Simulation” , T6120741 , JAN/BSTE/18. Ramesh Garg,Prakash Bhartia,Inder Baln,Apisak Ittipiboon, ”Micostrip Antenna Design Handbook” , 2001. , ”Microwave Office Getting Started Guide”, AWR Coporation ,version 9. edition Tài liệu tiếng Việt : Lê Tiến Thường,Trần Văn Sư , “Truyền sóng và Anten”, 2005. Phan Anh , “Lý thuyết và kỹ thuật Anten”, 2007. Các trang Web tham khảo : (và các từ khóa liên quan khác).