Đồ án Microstrip log periodic antenna cho hệ thống UWB

g thông tối thiểu được cho phép giảm xuống là 0.2 hoặc tối thiểu là 500 MHz và fH, fL cũng được định nghĩa ở -10dB. Các giới hạn phát cho các ứng dụng indoor và outdoor được nêu như sau: Hình 1.3.1. Tiêu chuẩn UWB của FCC 1.3.2. Tiêu chuẩn UWB của Châu Âu CEPT (European Conference Postal and Telecommunication) đã lập nhóm CEPT/ERC/REC 70-30 (Ultra-Wide Band Working Group, 1999) nhằm đưa ra các chuẩn cho UWB. Dưới đây là chuẩn ITU 2002 cho các ứng dụng indoor và outdoor : Hình 1.3.2. Tiêu chuẩn UWB của ITU 1.4. Ứng dụng của kỹ thuật UWB Hệ thống thông tin và đo lường. Hệ thống radar. Hệ thống định vị dưới mặt đất, xuyên tường, hình ảnh y khoa, giám sát. Hình 1.4.1. Local/Personal area Network Hình 1.4.2. Hệ thống dò tìm bom đạn Hình 1.4.3. Nhìn xuyên tường Hình 1.4.4. Radio Frequency Identificatio Hình 1.4.5. Một số ứng dụng khác của UWB 1.5. Anten ứng dụng trong UWB radar: 1.5.1. Yêu cầu cần có đối với Anten dùng cho UWB radar Hoạt động ở băng thông cực rộng. Đảm bảo được sự tuyến tính pha trong dải tần hoạt động (để có thể phục hồi chính xác khi dạng sóng ngõ vào không phải dạng sin). Các anten thu-phát phải đảm bảo tính trung thực tín hiệu với sai lệch nhỏ nhất. 1.5.2. Một số loại Anten ứng dụng cho UWB Radar Hình 1.5. Một số lọai Antenna thường dùng trong UWB Radar CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN 2.1. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách: Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi ... Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng diện từ ràng buộc. Bức xạ sóng ra không gian. Sóng sẽ được truyền dưới dạng sóng điện từ tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóng điện từ (thiết bị anten). Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fide thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo fide tới máy thu. Nhưng cần lưu ý năng lượng điện từ mà anten thu tiếp nhận từ không gian ngoài sẽ chỉ có một phần được truyền tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại không gian (bức xạ thứ cấp). Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa... Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau. Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang(mặt đất),để cho các máy thu đặt ỏ các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu ở đài phát. Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng thẳng đứng,với hướng,cực đại song song mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết.Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ,thông tin truyền tiếp, rada, vô tuyến điều khiển v.v... thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao,nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc hẹp trong không gian. Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do,mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định,với các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada điều khiển...cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.Trong trường hợp tổng quát,anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống,trong đó chủ yếu là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). Sơ đồ của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten đã được vẽ ở hình 2.1.1. Hình 2.1. Hệ thống thu phát vô tuyến. 2.2. Các đặc tính của anten Có nhiều thông số khác nhau được sử dụng để mô tả đặc tính hoặc chất lượng của anten. Tùy loại anten mà một số trong các thông số này được sử dụng để mô tả, đánh giá đặc tính của anten. Và dĩ nhiên, các thông số này còn được sử dụng trong việc tính toán một tuyến liên lạc vô tuyến hoặc một mạch điện có anten. 2.2.1. Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) Được dùng để biểu diễn đặc tính bức xạ của anten. Là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong hệ trục tọa độ trong không gian. Thông thường đồ thị bức xạ biểu diễn trường vùng xa của các đại lượng như:Mật độ bức xạ, Cường độ bức xạ,Cường độ trường, Hệ số định hướng.... Anten có nhiều dạng và nhiều cấu trúc khác nhau có loại rất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp. Ta có hai loại anten là anten vô hướng và anten có hướng: a. Anten vô hướng: là anten có bức xạ công suất một cách đồng nhất trong một góc khối 4. b. Anten có hướng: là anten mà nó tập trung công suất theo một hướng nhất định vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số hướng tính D( ) và độ lợi G( ). D() mô tả kiểu bức xạ, G( ) cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ). Hình 2.2.1. Bức xạ đẳng hướng và bức xạ định hướng. Hình 2.2.2. Bức xạ vô hướng và bức xạ đẳng hướng. 2.2.2. Các búp sóng (Lobes) a. HPBW: độ rộng nửa công suất (Half-Power Beamwidth): là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xạ ở 2 hướng này giảm 3dB so với hướng cực đại). b. FNBW: độ rộng bức xạ không đầu tiên (First Null Beamwidth): là góc giữa 2 hướng có cường độ bức xạ bằng 0 nằm 2 bên hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng. Hình 2.2.4. Các búp sóng trong không gian 3 chiều Hình 2.2.5. Các búp sóng được vẽ đồ thị vuông góc 2.2.3. Băng thông (Bandwidth) Là khoảng tần số mà trong đó một (hoặc vài) đặc tính của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn xác định. Các đặc tính như là: trở kháng ngỏ vào, đồ thị bức xạ, phân cực, mức bức xạ phụ, hướng búp chính, hiệu suất. 2.2.4. Phân cực (Polarization) Phân cực của anten theo 1 hướng cho trước được xác định là phân cực của sóng do anten bức xạ ra. Phân cực của sóng bức xạ là đặc tính trong miền thời gian của sóng điện từ, được xác định theo hình vẽ của đầu mút vector E theo thời gian. Có các loại phân cực : thẳng, tròn và elip. Hình 2.2.6. Sự biến thiên trường E theo thời gian 2.2.5. Trở kháng ngỏ vào (Input impedance) (2.1) với : điện trở ngõ vào RR : điện trở bức xạ RD : điện trở tổn hao Hình 2.2.7. Trở kháng ngõ vào anten 2.2.6. Hiệu suất bức xạ của anten(Antenna Radiation Efficiency): (2.2) 2.3. Phần tử cơ bản của anten Phần tử phát xạ chính và thu chính chính của anten là chấn tử đối xứng và không đối xứng: a. Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten. Nó gồm hai dây dài bằng nhau (hình trụ, chóp, elipsôit) giữa dây fiđe như hình.Thường dùng nhất là chấn tử đối xứng có chiều dài bằng nửa bước sóng và được gọi là chấn tử nửa bước sóng. Hình 2.3. Chấn tử đối xứng và không đối xứng b. Chấn tử không đối xứng có một đầu dây nối vào một đầu của máy phát (hay máy thu) còn đầu còn lại của máy phát (hay máy thu ) thì được nối đất. 2.4. Nguồn bức xạ nguyên tố của anten Khi khảo sát các đặc tính của anten phức tạp, ta phải khảo sát các nguồn bức xạ nguyên tố để làm cơ sở. Nguồn bức xa nguyên tố gồm có: lưỡng cực điện và lưỡng cực từ. 2.4.1. Lưỡng cực điện Lưỡng cực điện là một đoạn dây dẫn mãnh và chiều dài l rất nhỏ so với bước sóng (l <<). Trên lưỡng cực điện dòng điện xoay chiều tại mọi nơi đều cùng biên độ và pha. Hình 2.4.1. Dipole điện Ở khoảng cách xa r >>l cường độ điện trường xác định bằng biểu thức : (2.3) Với : (rad/m). (2.4) Ta thấy cường độ trường phụ thuộc vào toạ độ khảo sát, dòng điện trên lưỡng cực và bước sóng. Công suất bức xạ trong không gian tự do : (2.5) Điện trở bức xạ trong không gian tự do : (2.6) Hệ số định hướng : (2.7) Hình 2.4.2. Đồ thị bức xạ của dipole điện. 2.4.2. Lưỡng cực từ Tương tự dipole điện, dipole từ là một phần tử dẫn từ thẳng, rất mảnh, có độ dài rất nhỏ so với bước sóng, trên đó có dòng từ với biên độ và pha đồng đều ở tất cả mọi điểm. Hình 2.4.3. Dipole từ Trường bức xạ của dipole từ tương tự dipole điện. (2.8) Hình 2.4.4. Trường của dipole điện a) và từ b) Bức xạ của dipole từ trong không gian tự do: (2.9) Điện dẫn bức xạ của dipole từ: (2.10) CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA) 3.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, anten vi dải đã được tập trung nghiên cứu khá nhiều, cả về lý thuyết và kỹ thuật. Đồng thời cũng đã nhận được nhiều kết quả đáng kể về mặt công nghệ và ứng dụng trong thực tiễn nhất là lĩnh vực thông tin di động, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần. Nó đã tỏ ra là loại anten có nhiều hiệu quả và tiện lợi. Các khái niệm về bức xạ vi dải đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào năm 1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới được chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Điểm mạnh của anten vi dải so với các loại anten thông thường khác là cấu trúc ổn định, trọng lượng bé, kích thước nhỏ, dễ chế tạo và nhất là phù hợp với công nghệ vi dải hiện đang sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC chuyên dụng. Không những thế, anten vi dải rất phù hợp với cấu trúc mảng anten (antenna array), cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và hơn nữa có thể kết hợp với các giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong hệ thống CDMA. Với nhiều đặc tính thuận lợi như trên nên MSA được thiết kế đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực truyền thông vô tuyến khác nhau. Về cấu tạo, mỗi phần tử anten vi dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bồ phận tiếp điện như hình 3.1. Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten vi dải còn có tên gọi là anten mạch in. Hình 3.1. Phần tử anten vi dải Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày t và hằng số điện môi của lớp đế điện môi. Phần tử anten vi dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền vi dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại (hình 3.3. a), hoặc dùng cáp đồng trục, có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn (hình 3.3. c). Tùy thuộc vào hình dạng phiến kim loại và các thông số hình học, ta có các loại anten khác nhau. Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng nhất với hoạt động của anten. Nó ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, dải tần và hiệu suất của anten. 3.2. Các đặc tính của Anten vi dải Anten vi dải (Microstrip Antenna – MSA) được ứng dụng trong cao tần từ tần số 100MHz đến 100GHz. MSA có nhiều đặc điểm thuận lợi so với các anten truyền thống khác và được dùng trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, MSA cũng có một số khuyết điểm cần được cải thiện. Ưu điểm: MSA có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ sản xuất. Có thể phân cực tuyến tính hoặc phân cực tròn. Công nghệ chế tạo phù hợp với các mạch cao tần. Đường truyền cung cấp và ghép nối mạng anten có thể được thực hiện đồng thời với việc chế tạo anten. Dễ dàng tích hợp với các thiết bị di động cá nhân. Khuyết điểm: MSA có băng thông hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5% (đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong ứng dụng đòi hỏi trải phổ rộng, và một số MSA có độ lợi thấp). Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten. Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối. Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp. Một số ứng dụng của MSA: Các anten dùng trong thông tin vô tuyến cần nhỏ gọn nên MSA thường được dùng. Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ. Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các các dãy MSA để định vị. Các loại vũ khí thông minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng. GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA. 3.3. Các phương pháp phân tích anten vi dải Một trong những phương pháp phân tích anten vi dải là phương pháp moment, khi các anten vi dải có hình dạng tùy ý. Đây là phương pháp rất hữu hiệu để tính toán các anten vi dải, không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong mạchệc nghiên cứu và thiết kế các anten vi dải đa dạng trong thực tế phát triển của công nghệ truyền thông. Trong phần này, sẽ giới thiệu về phương pháp phân tích anten vi dải dựa trên sự quan sát và suy luận vật lý để có thể tìm hiểu nguyên lý của anten vi dải một cách rõ ràng hơn theo các khía cạnh kỹ thuật. Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten vi dải là phương pháp đường truyền và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản (ví dụ hình chữ nhật, hình tròn), còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp. Trong mục này sẽ chỉ đề cập đến phương pháp đường truyền dẫn. Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi phần tử anten vi dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm vi dải), và đặt song song cách nhau một khoảng L (bằng chiều dài của tấm vi dải) như vẽ ở hình 3.3. b. Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = / 2, với là bước sóng trong lớp đế điện môi thì hai khe này được kích thích ngược pha nhau, nhưng vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian như mô tả ở hình 3.3. b. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử vi dải nửa sóng. Hình 3.3. Mô hình anten vi dải 3.4. Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs) Trong phần này sẽ đề cập đến anten vi dải hình chữ nhật, với 2 loại nửa sóng và phần tư sóng. 3.4.1. Anten vi dải nửa sóng Loại anten vi dải được sử dụng phổ biến nhất là loại gồm một phiến kim loại hình chữ nhật gắn trên bản mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục. Chiều dài L xấp xỉ bằng nửa bước sóng. (3.1) trong đó: : bước sóng trong không gian tự do : bước sóng truyền trong lớp điện môi Như trên đã phân tích, trường bức xạ của anten có thể được xác định dựa trên nguồn bức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra bởi cạnh của phần tử vi dải và mặt phẳng đế trực tiếp ở phía dưới. Do t << /4, mỗi khe đơn sẽ bức xạ đẳng hướng vào nửa không gian phía trên mặt phẳng đế. Hình 3.4.1. Bức xạ anten vi dải Hình 3.4.1a vẽ anten vi dải, các khe bức xạ của nó và hệ tọa độ khảo sát. Hình b là cấu trúc điện từ trường ở gần phiến kim loại, trong đó đường liền là trường E, đường đứt nét là trường H. Trên hình vẽ có thể thấy các khe 1 và 2 là các khe bức xạ, M1 và M2 tương ứng là các dòng từ tương đương. Trường bức xạ có thể được tính toán nhờ các dòng tương đương trong khe, ta nhận được các thành phần trường bức xạ của một khe đơn lẻ, biểu thị trong hệ tọa độ cầu như sau: (3.2) trong đó : E0 là cường độ điện trường trong khe. (3.3) Giả sử lớp đế điện môi là rất mỏng (t << l), khi đó (3.2) có thể đơn giản thành: (3.4) Hàm phương hướng tổ hợp đối với một hệ gồm 2 khe được xác định bởi: (3.5) Trong đó Le là khoảng cách hiệu dụng giữa các khe khi có tính đến trường ở vùng biên. Ap dụng lý thuyết nhân đồ thị phương hướng, ta có trường bức xạ của anten vi dải bằng: (3.6) Trong mặt phẳng E (mặt phẳng vuông góc với trục của khe, hay mặt phẳng Oxy, ), công thức (3.6) trở thành: (3.7) Còn trong mặt phẳng H (mặt phẳng Oyz, ), công thức (3.6) trở thành: (3.8) Các công thức này đúng với các góc nằm trong giới hạn 00 – 1800 (nghĩa là đúng cho nửa không gian phía trên của màn chắn). Các hình 3.4.2. a và b biểu diễn đồ thị phương hướng của anten vi dải trong các mặt phẳng E và H tại tần số f=10 Ghz với W = 11.86mm, =2.2 và L=9.06mm. Cả hai đồ thị này đều được so sánh với kết quả thực nghiệm. Công thức này sẽ không được chính xác tại khu vực gần đế điện môi. Sự bức xạ từ đáy của đế điện môi thường nhỏ hơn giá trị lý thuyết khoảng 6dB tại 00 và 1800. Một số bức xạ cũng xuất hiện ở bán cầu dưới 1800 - 3600. Bức xạ tại bán cầu dưới sẽ nhanh chóng bị mất đi khi mặt phẳng đế điện môi rộng hơn bước sóng. Hình 3.4.2. Đồ thị bức xạ trong ví dụ 3.4.2. Anten phần tư sóng Khi chọn ta có anten phần tư sóng. Cấu trúc của loại anten này như sau: một trong hai khe được nối tắt với màn chắn kim loại, còn điểm tiếp điện được nối vào khe bên kia. Trong trường hợp này phần tử anten vi dải tương đương với một khe đơn. Nếu màn chắn là màn dẫn rộng vô hạn thì trường bức xạ trong mặt phẳng E sẽ có dạng đồng đều ở nửa không gian phía trên. Cường độ bức xạ giảm khoảng 6dB tại . Tuy nhiên nếu màn chắn có kích thước hữu hạn thì trường bức xạ trong mặt phẳng E sẽ không còn đồng đều nữa. Chẳng hạn khi màn chắn có kích thước , ta có giản đồ bức xạ như hình 3.4.3. Những chỗ mấp mô trên giản đồ phương hướng có thể giảm đi khi độ lớn của màn chắn đủ rộng. Hình 3.4.3. Anten vi dải ¼ bước sóng Trường bức xạ trong mặt phẳng H của phần tử ¼ bước sóng được xác định theo công thức: (3.9) với là góc hợp bởi trục khe và hướng quan sát nằm phía trên màn chắn. 3.5. Trở kháng vào anten vi dải Sơ đồ tương đương của anten vi dải nửa sóng được vẽ ở hình 3.5.1. Trở kháng vào của anten vi dải nói trên có thể được tính từ mạch tương đương. Hình 3.5.1. Mạch tương đương anten nửa sóng Điện trở bức xạ của mỗi khe sẽ là hàm phụ thuộc với độ rộng W của phiến vi dải, được xác định theo công thức: (3.10) Do phần tử vi dải được biểu thị như tập hợp của 2 khe song song nhau, nên điện trở vào sẽ bằng: (3.11) Sự tồn tại của điện kháng vào khi anten có độ dài đúng bằng là nguyên nhân mà ta cần giảm độ dài trên thực tế (tức là ) để có được cộng hưởng ở đầu vào. Mạch phối hợp trở kháng đầu vào có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 1 trong 2 kỹ thuật. Đối với các phần tử làm mạch độc lập, tiếp điện bằng cáp đồng trục 50 , có thể lựa điểm tiếp điện thích hợp bằng cách điều chỉnh khoảng cách l từ cạnh của phần tử đến điểm tiếp điện như hình 3.5.2, để đạt được điểm có trở kháng vào đúng bằng 50. Hình 3.5.2. Quan hệ trở kháng vào và chiều dài l Lưu ý rằng trở kháng sẽ bằng 0 tại tâm phần tử. Đôi khi người ta lợi dụng điều này để đặt các đinh tán hoặc lớp mạ qua các lỗ tại tâm anten vì no ảnh hưởng không đáng kể đến giản đồ bức xạ và chỉ làm thay đổi nhỏ đến tần số cộng hưởng. Trong các hệ anten vi dải gồm nhiều phần tử (dàn anten vi dải), cấp điện bằng đường dây dải tại cạnh của các phiến kim loại thì thường dùng bộ chuyển đổi phần tư bước sóng để biến đổi trở kháng vào tới các giá trị mà ta mong muốn. Anten phần tư bước sóng có trở kháng vào lớn gấp đôi so với anten nửa bước sóng. Trở kháng vào của anten có thể tính được từ mạch tương đương trên hình 3.5.3. Ta nhận được: (3.12) Hình 3.5.3. Trở kháng vào anten phần tư sóng Với các phần tử anten phần tư sóng, nếu chọn độ rộng W bằng nửa bước sóng, trở kháng vào sẽ là 240. Giá trị này khá cao, và tỷ số sóng đứng điện áp xảy ra khi trở khang của cáp là 50 được nối trực tiếp vào cạnh phần tử. Do đó phải đặt điểm tiếp điện cách xa cạnh 1 khoảng l, khoảng này có thể tìm được nhờ đồ thị vẽ trên hình 3.5.4. Đồng thời cũng có thể dùng bộ chuyển đổi phần tư sóng để biến đổi trở kháng vào tới các giá trị mà ta mong muốn. Hình 3.5.4. Quan hệ trở kháng vào và chiều dài l của anten phần tư sóng 3.6. Băng thông của anten vi dải Độ rộng băng thông của anten vi dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói cách khác, đó là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Độ rộng băng thông của một anten thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên một khoảng tần số nào đó. Hầu hết các anten trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1. Độ rộng băng tần của anten vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng ( , dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể được tính toán theo công thức kinh nghiệm sau: (3.13) Trong đó là độ rộng băng (Mhz) f là tần số hoạt động (Ghz) t là độ dày điện môi (inch) Để tăng độ rộng băng thông có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn vì khi thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất anten. 3.7. Phân cực của anten vi dải Anten vi dải có thể được chế tạo để nhận được trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực quay. Phân cực thẳng sẽ nhận được khi điểm tiếp điện được đặt vào giữa một cạnh của phiến kim loại. Hình 3.7 minh họa 2 trường hợp phân cực thẳng có hướng trực giao nhau. Phân cực quay có thể nhận được khi áp dụng các biện pháp tiếp điện thích hợp. Hình 3.7. Phân cực anten vi dải Theo lý thuyết, ta có thể tạo ra trường phân cực quay bằng cách tổ hợp 2 sóng phân cực thẳng vuông góc nhau, với góc lệch pha 900 giữa chúng. Đồng thời, ta co thể tạo ra 2 sòng phân cực thẳng trưc giao từ một phần tử anten vi dải hình vuông có kích thước L = W = , với việc tiếp điện riêng rẽ vào hai điểm nằm ở trung điểm hai cạnh kề nhau của phiến kim loại hình vuông ấy. Nếu dòng điện tiếp vào 2 điểm nói trên có góc lệch pha nhau 900 thì ta sẽ nhận được trường phân cực quay. Hình 3.7 b. mô tả việc tiếp điện dùng mạch hybrid chia công suất và tạo ra góc lệch pha 900 giữa 2 nhánh. Vì điện áp của hai nhánh có biên độ bằng nhau nên phân cực quay nhận được là phân cực tròn. Khi cấp điện vào các đầu khác nhau của hybrid sẽ nhận được trường quay có hướng quay khác nhau (quay phải hoặc quay trái). CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ANTEN BĂNG RỘNG ANTEN LOGA – CHU KỲ 4.1. Dải thông tần và dải tần công tác của anten 4.1.1. Dải thông tần Dải thông tần là một đặc tính quan trọng của anten. Đó là một dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo dạng. Thông thường trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số. Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, số, tín hiệu vô tuyến truyền hình...) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (anten phát) hoặc sức điện động thu được (anten thu) sẽ biến đổi, làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu. Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong fide. Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần số khác nhau sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, tốt nhất là phải đảm bảo được trong suốt dải tần số làm việc RA = const và XA = 0. Ngoài ra vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây méo dạng tín hiệu. Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế, độ rộng dải tần của anten chủ yếu được quyết định bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số. 4.1.2. Dải tần công tác Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc ở một tần số mà nó có thể làm việc ở một số tần số khác nhau. Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo được những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần . . . Dải tần số mà trong giới hạn đó anten làm việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten. Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể. Trong phần này giới thiệu các phương pháp mở rộng dải tần số của anten với ý nghĩa giảm nhỏ sự phụ thuộc của trở kháng vào và đặc tính bức xạ của anten với sự thay đổi của tần số. Căn cứ theo dải tần số công tác, có thể phân loại anten t