Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun

Ra đa Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” 56 GIẢI PHÁP ĐO ANTEN XOẮN SIÊU NHỎ SỬ DỤNG SPERTOPF BALUN Nguyễn Quốc Định* Tóm tắt: Bài báo trình bày tính thiết yếu của việc sử dụng bộ biến đổi khi thực hiện đo các tham số của anten có kích thước siêu nhỏ. Từ đó, đề xuất cấu trúc của bộ biến đổi spertopf balun để đo các tham số kỹ thuật của anten xoắn siêu nhỏ. Tính toán ảnh hưởng của các tham số kích thước của bộ biển đổi Spertopf Balun đến các tham số kỹ thuật của anten xoắn siêu nhỏ để từ đó đưa ra được giới hạn sử dụng hiệu quả của bộ biến đổi Spertopf Balun. Từ khóa: Anten xoắn siêu nhỏ, Bộ chuyển đổi hình cốc (spertopf balun), Kỹ thuật đo anten. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Anten có kích thước siêu nhỏ được định nghĩa là anten có kích thước cỡ 0,01 bước sóng, là loại anten thường được sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi cấu trúc anten có kích thước rất nhỏ như hệ thống kiểm tra hơi trong lốp ô tô (TPMS: Tire pressure monitoring system) [1], thẻ nhận dạng bằng sóng vô tuyến (RFID: Radio Frequency Identification) [2] hoặc trong các thiết bị thông tin di động, thiết bị thông tin vô tuyến sử dụng trong y học. Anten có kích thước siêu nhỏ thì các đặc trưng, tham số của anten rất kém như trở kháng vào sẽ rất nhỏ (khoảng dưới 1 ), hệ số tăng ích thấp (khoảng dưới -5 dBi) nên việc sử dụng hiệu quả loại anten này gặp rất nhiều khó khăn. Để khảo sát, đánh giá chất lượng các mẫu anten có kích thước siêu nhỏ là một vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu khoa học vì chỉ một sai lệch nhỏ có thể làm thay đổi đặc tính của loại anten này. Trong bài báo này, tác giả đề xuất một giải pháp kỹ thuật đo, kiểm tra các tham số kỹ thuật của anten xoắn có kích thước siêu nhỏ (dưới 0,01 bước sóng) sử dụng bộ biến đổi spertopf balun, tính toán ảnh hưởng của các tham số kích thước của bộ biển đổi spertopf balun đến các tham số kỹ thuật của anten để từ đó đưa ra được giới hạn sử dụng hiệu quả của bộ biến đổi spertopf balun đề xuất. 2. CẤU TRÚC CỦA SPERTOPF BALUN VÀ KẾT QUẢ ĐO KIỂM 2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của Spertopf Balun Anten chấn tử đối xứng có phân bố dòng đối xứng, khi nối với cáp đồng trục có dòng không đối xứng sẽ gây méo dạng đồ thị bức xạ của anten. Do vậy, phải sử dụng bộ biến đổi để tạo ra dòng điện đối xứng. Cấu trúc của spertopf balun [3] được thể hiện như Hình 1a với mạch tương đương được thể hiện như Hình 1b. Vỏ ngoài của cáp đồng trục C được gắn thêm một ống kim loại D có chiều dài λ/4. Một đầu để tự do, một đầu được nối tắt với cáp đồng trục C, nhằm mục đích loại bỏ dòng điện bất đối xứng chảy ở vỏ ngoài của cáp đồng trục C. Nghĩa là, từ vị trí nối anten cách λ/4, vỏ ngoài của cáp đồng trục C được nối với ống kim loại D, đầu còn lại của ống kim loại được để tự do nên nó sẽ tạo với vị trí nối anten của cáp đồng trục một mạch hở. Do vậy, làm cho dòng điện bất đối xứng không chảy ra vỏ ngoài của cáp đồng trục C. Từ hình 1b, cáp đồng trục được tách thành 2 thành phần. Mặt trong B và mặt ngoài C. Mặt trong B có dòng điện đối xứng chảy qua, mặt ngoài C có dòng điện bất đối xứng chảy qua. Tâm của cáp đồng trục A và mặt trong của cáp B trở thành mạch chính, tại vị trí kết nối với anten thì coi như mắc thêm một đoạn stub λ/4, stub này có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện bất đối xứng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 57 10.8 mm13.5 mm 27.0 mm 5.0 mm Balun 5.0 mm 13.5 mm (a) Cấu trúc của spertopf balun (b) Mạch tương đương Hình 1. Cấu trúc và mạch tương đương của Spertopf Balun. 2.2. Kết quả thực nghiệm Hình 2 mô tả cấu trúc chế thử của anten xoắn có kích thước siêu nhỏ. Hình 2a là cấu trúc anten xoắn khi không sử dụng tap (dây chuyển đổi) được kết nối trực tiếp với spertopf balun. Hình 2b là cấu trúc anten xoắn khi sử dụng tap được kết nối trực tiếp với spertopf balun [4]. Đo kiểm tại tần số 315 MHz (tương đương  = 952,4 mm). Như vậy, với chiều dài anten 5,0 mm tương đương với 0,005, đây là một kích thước rất nhỏ. Kết quả đo trở kháng vào của anten và so sánh với kết quả mô phỏng (sử dụng phần mềm mô phỏng FEKO, phương pháp MoM) được thể hiện như hình 3. Từ hình 3 có thể thấy rằng, kết quả đo kiểm tương đồng với kết quả mô phỏng nên có thể khẳng định tính chính xác của kết quả đo kiểm. Từ hình 3 cũng có thể thấy rằng, với cùng cấu trúc anten, khi sử dụng tap thì trở kháng vào của anten được tăng lên. Như vậy, với việc sử dụng Spertopf Balun sẽ đo được tham số trở kháng vào của anten xoắn có kích thước siêu nhỏ với kết quả giống với kết quả mô phỏng. (a) Đo anten xoắn siêu nhỏ khi không có tap (b) Đo anten xoắn siêu nhỏ khi có tap Hình 2. Cấu trúc của anten xoắn siêu nhỏ khi tiến hành đo đạc. ZVIb IbA B C D λ/4 Iu=0 Iu Iu short open IbIb Ib Ib Iu=0 λ/4 open short A B C D Ra đa Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” 58 10 25 50 100 250 -10j 10j -25j 25j -50j 50j -100j 100j -250j 250j Meas. Sim. No tap With tap Hình 3. Kết quả đo kiểm trở kháng vào của anten và so sánh với kết quả mô phỏng. 3. SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN BẰNG CÁP ĐỒNG TRỤC VÀ SPERTOPF BALUN KHI ĐO ANTEN XOẮN SIÊU NHỎ 3.1. Cấu trúc anten khi kết nối với cáp đồng trục và Spertopf Balun Cấu trúc của anten xoắn khi kết nối với spertopf balun được thể hiện như Hình 4 (a). Khi đó, anten xoắn có kích thước siêu nhỏ có thể phân tích thành hai thành phần nguồn điện I (Dipole antenna) và nguồn từ J (Loop antenna) [5]. Với cùng cấu trúc này, khi đặt anten xoắn trên mặt phản xạ như Hình 4 (b) thì thành phần nguồn điện I song song và sát mặt phản xạ nên sẽ bị triệt tiêu nên chỉ tồn tại nguồn từ J. Với đặc điểm này có thể sử dụng để khảo sát đặc tính bức xạ của anten trong phần sau. (a) anten xoắn đặt trong không gian tự do (b) anten xoắn đặt gần mặt phản xạ Hình 4. Hiệu ứng khi đặt anten xoắn gần mặt phản xạ. Mô hình anten xoắn có kích thước siêu nhỏ được cấp nguồn bất đối xứng bằng cáp đồng trục như Hình 5a và cấp nguồn đối xứng bằng spertopf balun được thể hiện như Hình 5b. Spertopf balun có đường kính là Ds, chiều dài là Ls (thông thường là /4), đầu tự do cách anten một khoảng là s. Với điều kiện tần số khảo sát 315 MHz (tương đương  = 952,4 mm), anten có chiều dài anten là 5,0 mm (0,005) như phần trên, ta tiến hành mô phỏng với trường hợp cấp nguồn cho anten bằng cáp đồng trục sẽ cho kết quả phân bố dòng như hình 6a, cấp nguồn bằng spertopf balun sẽ cho kết quả phân bố dòng như hình 6b. Có thể thấy rằng, khi cấp nguồn bằng cáp đồng trục sẽ tạo ra dòng điện bất đối xứng ở đầu cáp kết nối với anten, nhưng khi cấp nguồn bằng spertopf balun thì sẽ tạo ra dòng điện đối xứng ở đầu cáp kết nối với anten. Như vậy, sử dụng spertopf balun sẽ phù hợp với việc cấp nguồn đối xứng cho các anten đối xứng. JI JElectric source Magnetic source Magnetic source Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 59 (a) Cấp nguồn bằng cáp đồng trục (b) Cấp nguồn bằng Spertopf Balun Hình 5. Phương pháp cấp nguồn và cấu trúc của Spertopf Balun. (a) Cấp nguồn bằng cáp đồng trục (b) Cấp nguồn bằng Spertopf Balun (c) Phân bố dòng trên toàn cáp đồng trục và Spertopf Balun 0 50 100 150 200 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 B al u n c u rr en t [  ] y [mm] Without Spertopf Balun With Spertopf Balun (d) Lượng hóa phân bố dòng trên cáp đồng trục và Spertopf Balun Hình 6. So sánh phân bố dòng trên cáp đồng trục và Spertopf Balun. z x y Coaxial Cable z x y Ls = λ/4 Spertopf Balun s Ds ～ ～ Spertopf balun 1.74 A 1.74 A Balanced current Ls = 238 mm y Without Spertopf Balun With Spertopf Balun Coaxial Cable 1.65 A 1.55 A Unbalanced current Ra đa Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” 60 Hình 6c so sánh phân bố dòng trên toàn cáp đồng trục và spertopf balun, Hình 6d thể hiện kết quả lượng hóa phân bố dòng trên cáp đồng trục và Spertopf Balun theo trục y. Có thể thấy rằng, khi sử dụng cáp đồng trục thì phân bố dòng trên vỏ cáp rất lớn, dòng này sẽ biến cáp đồng trục thành một anten có kích thước rất lớn, ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của anten có kích thước siêu nhỏ. Mặt khác, khi sử dụng spertopf balun thì phân bố dòng trên vỏ ngoài của cáp là rất nhỏ, phân bố này sẽ không ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của anten xoắn siêu nhỏ. Hình 7 là kết quả mô phỏng, so sánh trở kháng vào của anten (trong trường hợp có tap) khi sử dụng cáp đồng trục và Spertopf Balun. Có thể thấy rằng, việc sử dụng hay không sử dụng spertopf balun không ảnh hưởng nhiều đến trở kháng vào của anten vì trục của cáp vuông góc với trục của anten. Hình 7. So sánh trở kháng vào của anten khi cấp nguồn bằng cáp đồng trục và Spertopf Balun. Hình 8. So sánh đồ thị bức xạ của anten cấp nguồn bằng cáp đồng trục và Spertopf Balun. Hình 8 mô tả đồ thị bức xạ của anten trong trường hợp sử dụng cáp đồng trục và trường hợp sử dụng spertopf balun (anten xoắn không có tap). Trong trường hợp sử dụng cáp đồng trục thì kết quả tính toán đồ thị bức xạ thể hiện bức xạ cực đại vuông góc với trục của cáp, đây chính là bức xạ của một anten chấn tử đơn cực đặt vuông góc trên mặt phản xạ. Như vậy, khi không sử dụng Spertopf Balun thì đặc trưng bức xạ của anten không còn nữa (vì anten có kích thước siêu nhỏ) mà chỉ còn đặc trưng bức xạ của cáp đồng trục. Ngược lại, sử 10 25 50 100 250 -10j 10j -25j 25j -50j 50j -100j 100j -250j 250j 315 MHz With Spertopf Balun Without Spertopf Balun -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 With Spertopf Balun (E= -34.7dBi) Without Spertopf Balun (E= -9.2dBi) [dBi] With Spertopf Balun (E= -6.5dBi) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 61 dụng Spertopf Balun thì đồ thị bức xạ bởi nguồn từ J có cường độ lớn (E = -6,5 dBi), trong khi đồ thị bức xạ bởi nguồn điện có cường độ cực đại rất nhỏ, gần như bị triệt tiêu (E = - 34,7 dBi). Điều này là đúng với lý thuyết đã nêu ở trên. Mặt khác, hình dạng đồ thị bức xạ của anten xoắn siêu nhỏ giống với hình dạng của một lưỡng cực điện đối xứng, điều này cũng đúng với lý thuyết của anten xoắn có kích thước siêu nhỏ. 3.2. Phạm vi hoạt động của spertopf balun Hình 9a là trường hợp khi thay đổi đường kính của spertopf balun. Có thể thấy rằng, đường kính của spertopf balun không ảnh hưởng đến giá trị hệ số tăng ích cực đại của anten. Hình 9b là trường hợp thay đổi khoảng cách s từ đầu mút của spertopf balun đến anten. Từ Hình 9b có thể thấy rằng, không nên để đầu mút của spertopf balun quá gần anten, nên để ở khoảng cách trên 1 mm. Hình 9c là trường hợp thay đổi chiều dài của spertopf balun Ls, có thể thấy rằng, khi chiều dài Ls bằng một phần tư bước sóng thì hệ số tăng ích của nguồn điện đạt được giá trị nhỏ nhất, tức là ảnh hưởng của mặt phản xạ làm nguồn điện bị triệt tiêu. (a) DS thay đổi (b) s thay đổi (c) LS thay đổi Hình 9. Ảnh hưởng của các tham số kích thước đến hệ số tăng ích của anten. 0 5 10 15 20 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5   an d E  [ d B i] Ds [mm] E E Ls = 238 mm s = 2 mm Gap feed Balun feed Ds 0 1 2 3 4 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5   an d E  [ dB i] s [mm] E E Ls = 238 mm Ds = 5 mm Gap feed Balun feed s Ra đa Nguyễn Quốc Định, “Giải pháp đo anten xoắn siêu nhỏ sử dụng Spertopf Balun.” 62 Để nguồn điện gần như bị triệt tiêu khi đặt trên mặt phản xạ (E < -25 dBi) thì chiều dài của spertopf balun chỉ có thể đảm bảo khi chiều dài trong khoảng từ 235,1 mm đến 242,1 mm. Như vậy, phạm vi hoạt động của spertopf balun chỉ trong khoảng 3 %. Có thể thấy rằng, sử dụng spertopf balun để đo tham số kỹ thuật của anten xoắn có kích thước siêu nhỏ chỉ sử dụng trong khoảng dải thông rất hẹp. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất giải pháp đo anten xoắn có kích thước siêu nhỏ sử dụng spertopf balun và đã đạt được một số kết quả như sau: (i) Kiểm nghiệm kết quả đo trở kháng vào của anten xoắn siêu nhỏ sử dụng spertopf balun với kết quả mô phỏng, hai kết quả này đồng nhất; (ii) Đề xuất phương pháp so sánh kết quả đo các tham số kỹ thuật của anten khi sử dụng cáp đồng trục và spertopf balun. Kết quả trở kháng vào không thay đổi nhiều nhưng khi đo đồ thị bức xạ của anten thì cần thiết phải sử dụng spertopf balun; (iii) Tính toán ảnh hưởng của các tham số kích thước của bộ biển đổi spertopf balun đến các tham số kỹ thuật của anten để từ đó đưa ra được giới hạn sử dụng hiệu quả của bộ biến đổi spertopf balun đề xuất là 3 %. Với kết quả đề xuất trong bài báo, có thể sử dụng để đo các anten khác có kích thước siêu nhỏ cho các thiết bị thông tin vô tuyến. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. N. Q. Dinh; T. Teranishi; N. Michishita; Y. Yamada; K. Nakatani, “FEKO-Based Method for Electromagnetic Simulation of Carcass Wires Embedded in Vehicle Tires,” The Applied Computational Electromagnetics Society Journal, vol. 26, no. 3, pp. 217-224, March 2011. [2]. N. Q. Định, “Nghiên cứu cải tiến cấu trúc anten cho hệ thống RFID,” Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số 26 (2013), tr. 8-13. [3]. Constantine A. Balanis, “Antenna theory: Analysis and design,” John Wiley&Sons, INC., Publication, 3rd. edition, pp. 538-541. [4]. N. Q. Dinh, N. Michishita, Y. Yamada and K. Nakatani, “Design Method of a Tap Feed for a Very Small Normal Mode Helical Antenna,” IEICE Trans. on Commun., vol. J94-B, no. 2, pp. 164-175, Feb. 2011. [5]. J.D.Kraus, “Antennas, Second Edition,” pp. 333-338, McGraw-Hill Book Company, 1988. ABSTRACT THE MEASUREMENT SOLUTION TO VERY SMALL NORMAL MODE HELICAL ANTENNA USING A SPERTOPF BALUN CONVERTER This paper presents the necessaries of using converters to measure parameters of very small size antennas. From this, the structure of a spertopf balun converter is proposed to measure parameters of very small normal mode helical antennas. The effects of dimensional factors to parameters of antennas are examined and effective limitations of the proposed spertopf balun converter are shown in this paper. Keywords: Very small normal mode helical antenna, Spertopf balun, Antenna measurement techniques Nhận bài ngày 26 tháng 8 năm 2015 Hoàn thiện ngày 09 tháng 10 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự; * Email: dinhnq@mta.edu.vn