Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn: Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng trong thiết kế anten; nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Phương pháp nghiên cứu của luận văn là sự kết hợp giữa mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial

LỜI CẢM ƠN Luận văn này đã được hoàn thành tại Bộ môn Vật lí Chất rắn và Điện tử, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Mạnh Cường. Đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới TS. Trần Mạnh Cường đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo Bộ môn Vật lí Vô tuyến và Điện tử,Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã chỉ bảo và giảng dạy tôi trong suốt những năm học qua. Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài NAFOSTED mã số HĐ-103.99-2011-02. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 1 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Thúy 1
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HIS : High Impedance Surface LHMs : Left handed metamaterials MMs : Metamaterials TE : Transverse electric TM : Transverse magnetic 2
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu ................................................................. 10 Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc ............................ 16 Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tròn .................................................... 17 Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải........................................................................ 20 Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm ...................................................................... 21 Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực ..................................................................... 21 Hình 1.7: Anten khe mạch dải ............................................................................... 22 Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy ..................................................................... 22 Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải............................................................. 23 Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục .............................................................. 23 Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe .............................................................. 24 Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận .................................................. 24 Hình 1.13: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải .......................................... 25 Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳn ..................................................... 25 Hình 1.15: Mô hình bức xạ của anten mạch dải .................................................... 27 Hình 1.16: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng ...................................... 28 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng ....................................... 29 Hình 1.18: Tiếp điện bằng một đường mạch dải .................................................... 31 Hình 1.19: Tiếp điện bằng hai đường mạch dải vào hai cạnh của anten................ 32 Hình 2.1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu. ......................................................................................... 35 Hình 2.2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc ở gần vùng ánh sáng nhìn thấy; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu ................................................................. 35 Hình 2.3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3. ................................................................. 37 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials.......... 38 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình ............................................. 39 Hình 2.6: Mô hình một bề mặt trở kháng cao ........................................................ 40 3
Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao ................................ 41 Hình 2.8: Mặt cắt ngang của một bề mặt trở kháng cao 2 lớp đơn giản ................ 41 Hình 2.9: Nguồn gốc của điện dung và điện cảm trong cấu trúc HIS..................... 41 Hình 2.10: Mô hình mạch sử dụng cho bề mặt trở kháng cao ................................ 42 Hình 2.11: Một cặp kim loại cách nhau bởi một khoảng cách ............................... 42 Hình 2.12: Tụ điện trong bề mặt trở kháng cao ..................................................... 43 Hình 2.13: Một tấm điện môi được chia thành các lớp nhỏ ................................... 44 Hình 2.14: Những tấm kim loại tụ điện đặt trong tấm điện mô .............................. 44 Hình 2.15: Một dòng điện của cuộn dây kim loại tính toán cho điện cảm tấm ....... 46 Hình 2.16: Trở kháng của một mạch cộng hưởng tương đương ............................. 47 Hình 2.17: Tính toán pha phản xạ sử dụng mô hình mạch cộng hưởng ................. 48 Hình 2.18: Một diện tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở kháng ................. 49 Hình 2.19: Sóng mặt truyền trên một bề mặt trở kháng bất kì................................ 49 Hình 2.20: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao............... 52 Hình 2.21: Giá trị S11 cho các anten miếng trên 2 mặt phẳng đất khác nhau ......... 52 Hình 2.22: Đồ thị bức xạ - E của 2 anten miếng ................................................... 53 Hình 3.1: a) Mô phỏng hệ số phản xạ của anten; b) Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng cực; c) Đồ thị bức xạ trong không gian 3D............................................................ 55 Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten .......................................................................... 56 Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) đã chế tạo................................................................................................................... 57 Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer ................................................. 50 Hình 4.1: Mô hình anten mạch dải ........................................................................ 58 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng anten mạch dải ......................................................... 59 Hình 4.3a: Mô hình HIS ........................................................................................ 60 Hình 4.3b: Mô hình thiết kế 1 cell của bề mặt trở kháng cao ................................. 61 Hình 4.4: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS ........................................... 61 Hình 4.5: Mô hình anten metamaterial khảo sát .................................................... 62 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng anten metamaterial .................................................. 63 4
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng anten metamaterial khi thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại ......................................................................... 65 Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial ..................................................................... 65 Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial. ................................................................................. 66 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của anten metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS. ................................... 67 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS.................................................................................................... 68 Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS .......................................................................................................... 68 Hình 4.12: Mô hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng ......................... 69 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau . 70 Hình 4.14: Kết quả đo phổ phản xạ của anten thường ........................................... 64 Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial ................................. 64 5
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN .......................................................... 10 1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN...................................................................................... 10 1.1.1.Khái niệm anten............................................................................................ 10 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.................................................. 10 1.1.3. Hệ phương trình Maxwell. ........................................................................... 11 1.1.4. Các thông số cơ bản của anten ..................................................................... 13 1.2. ANTEN MẠCH DẢI......................................................................................... 19 1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải ...................... 20 1.2.2. Phương pháp phân tích anten mạch dải ........................................................ 26 1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải ................................................................. 28 1.2.4. Ưu nhược điểm của anten mạch dải ............................................................. 32 CHƯƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL........................................................ 34 2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS ................................................................. 34 2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials ................................................................ 34 2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials .................................................................... 35 2.1.3. Ứng dụng của metamaterials........................................................................ 38 2.2. ANTEN METAMATERIAL .............................................................................. 40 2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface).................................. 40 2.2.2. Anten metamaterial...................................................................................... 51 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................. 54 3.1.PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG............................................................................ 54 3.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................... 55 3.2.1.Qui trình chế tạo anten .................................................................................. 55 3.2.2. Kết quả ........................................................................................................ 56 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 58 4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI ............................................... 58 6
4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thường .......................................................... 58 4.1.2. Kết quả mô phỏng anten mạch dải ............................................................... 59 4.1.3. Thảo luận ..................................................................................................... 59 4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS ........................... 60 4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS................................................................ 60 4.2.2. Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS ........................................................... 61 4.2.3. Thảo luận ..................................................................................................... 62 4.3. MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL .......................................................... 62 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial .......................................................................... 62 4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial ......................................................... 63 4.3.3. Thảo luận ..................................................................................................... 63 4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL ...................................................................... 64 4.4.1.Khảo sát ảnh hưởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial ................................................... 64 4.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial ................................................................................................ 67 4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thước các ô cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau. ......................................................................... 69 4.5. KẾT QUẢ ĐO .................................................................................................. 64 4.5.1. Kết quả ........................................................................................................ 64 4.5.2 Thảo luận...................................................................................................... 65 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 74 7
MỞ ĐẦU Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh chóng trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn 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 mạch dải (microstrip antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối….; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu cần thiết ở trên. Cũng bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng, hiệu suất cao đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về 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 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 UTMS (Universal Mobile Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), đã được phát triển và đã 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 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz). Anten mạch dải vốn đã có băng thông hẹp và hiệu suất thấp nên việc nghiên cứu để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất anten thường là nhu cầu cần thiết đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Có nhiều cách để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất của Anten mạch dải như dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu… Trong đó việc sử dụng một loại vật liệu mới là Metamaterials để cải thiện các tính chất điện từ của anten là một phương pháp mới rất hiệu quả và được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong những năm gần đây. Metamaterials là vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng với các tính chất vật lí không có trong vật liệu thông thường. Metamaterials được hiểu là 8
vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông thường như: Đảo ngược điều kiện khúc xạ [4], đảo ngược hiệu ứng Dopler [4], đảo ngược định luật Snell [4], Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen [4],…Và một tính chất đặc biệt quan trọng đó là Metamaterials có thể ngăn cản sự lan truyền sóng điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất này ta có thể dùng Metamaterials để ngăn chặn sự lan truyền sóng bề mặt của anten làm cải thiện một số tính chất của anten. Với các cấu trúc Metamaterials thiết kế khác nhau có thể thay đổi các tính chất điện từ của các loại Anten. Với những lí do trên chúng tôi đã chọn đề tài “Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” nhằm tìm ra cấu trúc Metamaterials tối ưu để cải thiện các tính chất điện từ của anten. Mục đích nghiên cứu của luận văn: + Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng trong thiết kế anten + Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Phương pháp nghiên cứu của luận văn là sự kết hợp giữa mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm. Bố cục của luận văn bao gồm 03 phần: Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan về anten Chương 2: Anten metamaterial Chương 3: Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 1.1.1. Khái niệm anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, ra đa 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 nhất là 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). Hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống cung cấp cảm thụ gia công tín tín hiệu bức xạ bức xạ hiệu Anten phát Anten thu Máy phát Thiết bị Thiết bị Máy thu xử lý điều chế Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu[1] 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ. Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. 10
Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên nhưng điện từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ. Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1] 1.1.3. Hệ phương trình Maxwell. Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học là các phương trình Maxwell. Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức e it  E  Re( E e it )  E cos(t ) (1.1a) 11
 E  Im( E e it )  E sin(t ) (1.1b) Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:  rotH  i p E  J e (1.2) (1.3) rotE  iH (1.4) e  divE   divH  0 (1.5) E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: (V/m) H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường: (A/m) Hệ số điện thẩm phức của môi trường được tính theo công thức:    (1.6)  p   1  i     ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường: (F/m) μ hệ số từ thẩm của môi trường: (H/m) σ điện dẫn xuất của môi trường: (Si/m) A J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện: ( ) m2 C  e là mật độ khối của điện tích: ( ) m3 Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên. Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như sau: rot H  i p E  J e (1.7) 12
rotE  i H  J m (1.8) m divE   (1.9) e divH    (1.10) Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E và H. Trong phương trình nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền. 1.1.4. Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]: - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hướng và độ tăng ích. - Đồ thị phương hướng. - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. - Tính phân cực - Dải tần của anten. a. Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten: UA (1.11) ZA   R A  jX A IA Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe: 13
PA (1.12) RA  I Ae Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng. Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten. b. Hiệu suất của anten Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten  A chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay P A: Pbx (1.13) A  PA Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với anten có tổn hao thì P bx < Pvào do đó  A < 1.Gọi công suất tổn hao là Pth PA  Pbx  Pth (1.14) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có: 2 PA  I Ae 2 .R A  I Ae Rbx  Rth  (1.15) Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành: Pbx Rbx (1.16) A   Pbx  Pth Rbx  Rth c. Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ 14
số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất  A = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng. Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng. Hệ số định hướng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (,) nào đó: Pbx (1 , 1 ) E 2 ( 1 , 1 ) (1.17) D( 1 , 1 )   Pbx (0) E 2 (0) Trong đó: D( 1 , 1 ) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương ( 1 , 1 ); Pbx( 1 , 1 ) và Pbx(0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng ( 1 , 1 ) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét. E( 1 , 1 ), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng. Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(1 , 1 ). Hệ số tăng ích của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (,): G ( ,  )   A D( ,  ) (1.18) Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.18) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx theo công thức sau: Pbx  PA .G A (1.19) 15
d. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của anten. Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten. Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương của điểm xem xét. Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc[1] 16
Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau. Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng đứng (góc ). Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất. e. Tính phân cực của anten   Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector E , H có biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng. Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng. Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tròn[1] 17
Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang. Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng. f. Dải tần của anten Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số công tác. Thường dải tần được phân làm 4 nhóm - Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): f f  10% tức là max  1.1 f0 f min - Anten dải tần tương đối rộng f f 10%   50% tức là 1.1  max  1.5 f0 f min - Anten dải tần rộng f max 1.5  4 f min - Anten dải tần rất rộng f max 4 f min Trong đó: Δf = fmax – fmin g. Các hệ thống anten  Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải trong các thiết bị di động. 18
 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.  Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz).  Anten phục vụ nghiên cứu khoa học. Quy ước về các dải tần số: Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng 3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị. 30-300 KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng Phát thanh AM, hàng hải, 300-3000 KHz Medium Freq (MF) trạm thông tin duyên hải, tìm kiếm. Điện thoại, điện báo, phát 3-30 MHz High Freq (HF) thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không. TV, phát thanh FM, điều 30-300 MHz Very High Freq (VHF) khiển giao thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng. 300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar. Hàng không, vi ba, thông 3-30 GHz Super High Freq (SHF) tin di động, vệ tinh. 30-300 GHz Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học 1.2. ANTEN MẠCH DẢI Lí thuyết về anten mạch dải đã ra đời từ những năm 1950 xong con người mới thực sự nghiên cứu về nó từ những năm 1970. Đến nay nó được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị di động như: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại, máy tính,…), máy bay, tên lửa, vệ tinh,… Với các ưu điểm là kích thước nhỏ gọn (có thể đạt được 19
kích thước cỡ bước sóng ánh sáng micromet), độ bền cao và giá thành rẻ,… Ngoài ra chúng khá dễ dàng để thay đổi các đặc trưng như tần số cộng hưởng, tính phân cực, đặc tuyến, trở kháng,… Nhược điểm của anten mạch dải là: hiệu suất thấp, năng lượng bức xạ thấp, dải thông hẹp và tính phân cực cao. Dải tần làm việc của anten mạch dải cỡ GHz. Ở tần số thấp hơn thì kích thước và tính định hướng của anten rất lớn. 1.2.1. Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải a. Cấu tạo Anten mạch dải thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Mỗi phần tử anten gồm các phần chính là: Các phiến kim loại mỏng có hình dạng khác nhau gắn trên đế điện môi. Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải[2] Phiến kim loại có kích thước trong khoảng λ0/3 đến λ0/2, độ dày h (cỡ khoảng 0.003λ0 – 0.05λ0), mặt đối diện thường được tiếp đất, hằng số điện môi của đế là εr thường trong khoảng 2.2 đến 12. Thông thường với đế điện môi dày và hằng số điện môi nhỏ sẽ làm cho tổn hao năng lượng ít và dải thông rộng hơn nhưng ngược lại làm cho kích thước anten lớn hơn khó để tích hợp cả anten và mạch tạo sóng trên cùng một board mạch. Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi . 20