Tài liệu Phân tích anten cho thẻ rfid trường xa

Khoá luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Minh Tuấn, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận. Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo GS.TSKH Phan Anh, thầy đã cho em những ý kiến quý báu để em hoàn thành khoá luận của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử Viễn Thông, các thầy cô trong trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, những người đã luôn nhiệt tình trong giảng dạy và chỉ bảo chúng em trong bốn năm học vừa qua. Và em cũng xin cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong Bộ môn Thông tin vô tuyến đã tạo điều kiện tốt nhất cho em và các bạn hoàn thành khóa luận của mình. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và các bạn của tôi, những người đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi trong những năm học vừa qua và nhất là trong thời gian thực hiện khóa luận này. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình viết bài vì thời gian có hạn và kiến thức thực tế của em còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô giáo để bài viết của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008 Sinh viên Dương Đình Sáng Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp TÓM TẮT NỘI DUNG Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, anten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng. Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, hệ thống RFID (Radio Frequency Identification), em đã nghiên cứu và thiết kế được một anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID, hoạt động ở dải tần 2.45GHz. Quá trình mô phỏng có sự trợ giúp của phần mềm Ansoft Designer. Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức hạn chế nên khoá luận chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô để hoàn thiện hơn bào viết của mình. Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008 Sinh viên Dương Đình Sáng Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN MẠCH DẢI...............................................................................................................2 1.1 Một số kiến thức cơ bản về anten.......................................................................2 1.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten..........................................................2 1.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten............................................................................2 1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten....................................................................3 1.1.3.1 Trường bức xạ............................................................................................3 1.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ.....................................................4 1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ.........................................................9 1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích...........................................................10 1.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten..........................................................................12 1.2 Đường truyền vi dải và anten mạch dải ............................................................13 1.2.1 Đường truyền vi dải.........................................................................................13 1.2.1.1 Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải................................................13 1.2.1.2 Các tham số cơ bản....................................................................................14 1.2.1.3 Trở kháng đặc tính biến thiên của theo tần số ...........................................17 1.2.2 Anten mạch dải................................................................................................17 1.2.2.1 Khái niệm..................................................................................................17 1.2.2.2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản........................................................................17 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG RFID.............................................................................21 2.1 Hệ thống RFID..................................................................................................... 2.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID)...............................21 2.1.1.1 Hệ thống mã vạch......................................................................................21 2.1.1.2 Hệ thống nhận dạng sinh học.....................................................................22 2.1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh..........................................................22 2.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID...........................................................................23 2.1.3 Cấu tạo chung của hệ thống RFID...................................................................24 2.1.3.1 Tag / thẻ.....................................................................................................24 Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 2.1.3.2 Đầu đọc (Reader).......................................................................................25 2.1.3.3 Middleware................................................................................................25 2.1.4 Phân loại hệ thống RFID.................................................................................25 2.1.4.1 RFID trường gần........................................................................................26 2.1.4.2 RFID trường xa..........................................................................................26 2.1.5 Các tần số, quy định được sử dụng trong hệ thống RFID................................27 2.1.6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống RFID.......................................................29 2.1.6.1 Ưu điểm.....................................................................................................29 2.1.6.2 Nhược điểm...............................................................................................30 2.1.7 Ứng dụng và xu hướng phát triển của RFID....................................................30 2.1.7.1 Ứng dụng...................................................................................................30 2.1.7.2 Xu hướng phát triển...................................................................................32 2.2 Anten trong hệ thống RFID................................................................................35 2.2.1 Nguyên lý hoạt động........................................................................................35 2.2.1.1 Trường gần................................................................................................35 2.2.1.2 Trường xa..................................................................................................36 2.2.2 Các loại anten dùng trong hệ thống RFID.......................................................37 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ANTEN CHO THẺ RFID TRƯỜNG XA................39 3.1 Đường Radio........................................................................................................41 3.2 EIRP và ERP.........................................................................................................43 3.3 Độ tăng ích của anten thẻ.......................................................................................44 3.4 Hệ số phối hợp phân cực.......................................................................................44 3.5 Hệ số truyền công suất...........................................................................................44 3.6 RCS của anten.......................................................................................................47 3.7 Tính toán khoảng đọc............................................................................................50 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ ANTEN..............................................52 4.1 Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần 2.45GHz dung cho hệ thống RFID........................................................................52 4.2 Đo đạc thực nghiệm...............................................................................................60 4.3 Nhận xét- đánh giá.................................................................................................64 KẾT LUẬN................................................................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................67 Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power ERP: Effective Radiated Power FR-4: Flame Resistant 4 HF: High Frequency HFSS: High Frequency Structure Simulator ISM: Industrial Scientific and Medical radio band LF: Low Frequency MWF: Microwave Frequency RCS: Radar Cross Section RFID: Radio Frequency Identification UHF: Ultra High Frequency DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan. Bảng 2: Giới hạn về công suất và tần số trong các hệ thống RFID tại một số các quốc gia khác nhau. Bảng3 : Số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước từ năm 1991 đến tháng 8 năm 2006. Bảng 4 Hệ số phản xạ và hệ số truyền công suất là một hàm của tổn hao trả về. Bảng 5: Hệ số K trong một vài trường hợp điện trở tải của anten khác nhau Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Cấu trúc chung của hệ thống anten Hình 2: Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ θ, ϕ Hình 3: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực Hình 4: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc Hình 5: Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền sóng Hình 6: Đường truyền vi dải Hình 7: Phân bố trường của đường truyền vi dải Hình 8: Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac Hình 9: Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng của đường truyền vi dải được tính theo phương pháp của Wheeler Hình 10: Anten mạch dải Hình 11: Anten mạch dải nhìn từ mặt bên Hình 12: Khe bức xạ Anten mạch dải Hình 13: Các dạng anten mạch dải điển hình Hình 14: Tiếp điện cho anten mạch dải Hình 15: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động Hình 16: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng trong công ty Hình 17 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID Hình 18: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID Hình 19: Các phương pháp xử lý dữ liệu Hình 20: Ứng dụng RFID điển hình Hình 21 : Biểu đồ tăng trưởng số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước từ năm 1981 đến tháng 8 năm 2006 Hình 22: Biểu đồ phân bố số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước tính đến tháng 8 năm 2006 Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Hình 23: Truyền công suất và thông tin giữa thẻ và đầu đọc trong hệ thống RFID ghép cảm ứng. Hình 24: Cơ chế cấp nguồn và giao tiếp trong hệ thống RFID trường xa Hình 25: Các loại anten dùng trong hệ thống Hình 26: Nguyên lý hoạt giữa đầu đọc và thẻ trong một hệ thống RFID thụ động trường xa Hình 27: Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống RFID trường xa Hình 28: Công suất truyền trong thẻ RFID và mạch tương đương của nó Hình 29: Quan hệ giữa hệ số truyền công suất với tổn hao trả về Hình 30: Biểu đồ công suất bức xạ trở lại của một anten phối hợp lien hợp phức được chuẩn hoá bởi công suất bức xạ trở lại của một anten tương tự khi ngắn mạch bởi tỉ số giá trị tuyệt đối điện kháng chia cho điện trở anten Hình 31: Đo khoảng đọc trong một phòng không có tiếng vọng Hình 32: Cấu trúc anten zíc zắc Hình 33: Hình 3-D mô phỏng anten bằng phần mềm Ansoft HFSS Hình 34: Phân bố trường E theo biên độ ở bề mặt anten Hình 35: Bức xạ 3-D của anten Hình 36: Giản đồ bức xạ của anten trong mặt phẳng Hình 37: Hệ số khuyếch đại Gain của anten Hình 38: Thông số tổn hao trả về_return loss S11 của anten Hình 39: Hệ số sóng đứng và return loss của anten Hình 40: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFS của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 41: Thông số return loss S11 của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 42: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Hình 43: Hệ số khuyếch đại Gain của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 44: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 45: Thông số return loss S11 của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 46: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 47: Hệ số khuyếch đại Gain của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 48: Cấu trúc anten thực nghiệm Hình 48: Thông số return loss của anten thực nghiệm Hình50: Độ rộng băng thông Hình 51: Hệ số sóng đứng và return loss của anten thực nghiệm Hình 52: Đồ thị Smith của anten thực nghiệm Hình 53: Thông số return loss mô phỏng và thực nghiệm Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực. Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tự động sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio Frequency Identification). Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ không dây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt. Việc tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ này giúp chúng ta tiếp cận và tiến đến làm chủ công nghệ, từ đó chúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế. Nội dung của khoá luận tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten, hệ thống RFID và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống này. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, khoá luận đã thực hiện được những nội dung sau đây: - Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten mạch dải - Tìm hiểu hệ thống RFID Tìm hiểu, phân tích nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản của anten dùng cho RFID (trường xa). Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải cấu trúc zíc zắc dùng cho RFID hoạt động ở dải tần 2.45GHZ Dương Đình Sáng 1 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN MẠCH DẢI 1.1 Một số kiến thức cơ bản về anten 1.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten: 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 v.v…Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc. - Bức xạ sóng ra không gian: Sóng sẽ được truyền đi 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. Trong thông tin không dây anten làm nhiệm vụ bức xạ và hấp thụ sóng điện từ. Nó được sử dụng như một bộ chuyển đổi sóng điện từ từ các hệ truyền dẫn định hướng sang môi trường không gian tự do. Anten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau. Với phát thanh - truyền hình làm nhiệm vụ quảng bá thông tin thì anten phát thực hiện bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển thì yêu cầu anten phát bức xạ với hướng tính cao... 1.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten: Một hệ truyền thông tin không dây đơn giản thường bao gồm các khối cơ bản: máy phát – anten phát – anten thu – máy thu. Đường truyền dẫn sóng điện từ giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu được gọi là Fide (Feeder). Dương Đình Sáng 2 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực thông tin, nhận dạng, rađa điều khiển v.v…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 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 chung của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten như sau: Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống bức xạ Hệ thống cảm thụ bức xạ Anten phát Máy phát Hệ thống gia công tín hiệu Anten thu Thiết bị xử lý tin Thiết bị điều chế Hệ thống phát Máy thu Hệ thống thu Hình 1: Cấu trúc chung của hệ thống anten 1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten: 1.1.3.1 Trường bức xạ Để khảo sát đặc tính trường của dòng, ta thường chia không gian khảo sát làm hai khu vực chính: trường gần và trường xa. Trường gần là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá nhỏ so với bước sóng (r << λ). Thừa số pha của trường trong khu vực này là: e Dương Đình Sáng −ikr =e 3 −i 2πr λ ≈1 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Khi đó có thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát so với nguồn, tương tự như trường hợp trường chuẩn tĩnh. Năng lượng của trường gần có tính dao động. Năng lượng này trong một phần tư chu kỳ đầu thì dịch chuyển từ nguồn trường ra không gian xung quanh và trong phần tư chu kỳ tiếp theo lại dịch chuyển ngược trở lại, giống như sự trao đổi năng lượng trong một mạch dao động. Vì vậy trường ở khu gần còn được gọi là trường cảm ứng, và khu gần được gọi là khu cảm ứng. Trường xa là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá lớn so với bước sóng (r >> λ). Khi ấy ta không thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát. Điện trường và từ trường của khu xa luôn đồng pha nhau, do đó năng lượng bức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào không gian xung quanh. Trường ở khu vực này có đặc tính sóng lan truyền nên trường xa còn được gọi là khu sóng, hay khu bức xạ. Khi khảo sát các bài toán bức xạ thì chúng ta thường chỉ quan tâm đến trường xa. Ta có thể rút ra một số tính chất tổng quát của trường ở xa trong không gian tự do của một hệ thống nguồn hỗn hợp như sau: - Trường bức xạ có dạng sóng chạy, lan truyền từ nguồn ra xa vô tận. Biên độ trường suy giảm tỷ lệ nghịch với khoảng cách. - Vectơ điện tích và từ trường có hướng vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền lan. Sóng bức xạ thuộc loại sóng điện-từ ngang. - Sự biến đổi của cường độ điện tích và từ trường trong không gian (khi R không đổi) được xác định bởi tổ hợp các hàm bức xạ G e ( θ , ϕ ) và G m ( θ , ϕ ) . Các hàm số này phụ thuộc vào phân bố dòng điện và dòng từ trong không gian của hệ thống bức xạ. Trong trường hợp tổng quát chúng là các hàm phức số. 1.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ a) Đồ thị phương hướng biên độ và pha Gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướng khảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi, là hàm phương hướng của hệ thống bức xạ và kí hiệu là f (θ, ϕ) . Trong trường hợp tổng quát, hàm phương hướng là hàm vectơ phức, bao gồm các thành phần theo θ và ϕ : f (θ, ϕ) = f θ (θ, ϕ)iθ + f ϕ (θ, ϕ)iϕ = iθ fθm e i arg fθ + iϕ fϕm e Dương Đình Sáng 4 i arg fϕ Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Biên độ của các hàm phương hướng có quan hệ với phân bố biên độ của các thành phần trường, còn argument có quan hệ với phân bố pha của trường trên một mặt cầu có bán kính R, tâm đặt tại gốc tọa độ. b) Hàm phương hướng biên độ Nếu định nghĩa hàm phương hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độ trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi R không đổi, thì nó chính là biên độ của hàm phương hướng phức. Trong trường hợp tổng quát, biên độ của hàm phương hướng có thể là các hàm có dấu biến đổi khi θ, ϕ thay đổi. Do đó hàm phương hướng biên độ được định nghĩa cụ thể hơn là môđun của hàm phương hướng phức. Như vậy, hàm phương hướng biên độ của trường tổng sẽ là: f (θ, ϕ) ≡ f m (θ, ϕ) (chỉ số m là kí hiệu biên độ của hàm bức xạ) Giản đồ phương hướng của anten được định nghĩa là một đồ thị không gian biểu thị sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường. Giản đồ phương hướng xét theo phương diện hình học, là một mặt được vẽ bởi đầu mút của vectơ có độ dài bằng giá trị của hàm phương hướng f (θ, ϕ) ứng với các góc (θ,φ) khác nhau. Có nhiều cách khác nhau để biểu thị đặc tính phương hướng không gian của trường bức xạ, cụ thể là: - Biểu diễn 3-D: Giản đồ phương hướng được thiết lập bằng cách lấy một mặt cầu bao bọc nguồn bức xạ. Tâm của mặt cầu được chọn trùng với gốc của hệ tọa độ cầu. Khi ấy, mỗi điểm cường độ trường đo được trên mặt cầu sẽ tương ứng với một cặp giá trị nhất định của tọa độ góc (θ,φ). θ = 0o θ = 90o φ = 270o θ = 90o φ = 90o θ = 90o φ = 0o θ = 180o Hình 2: Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ θ, ϕ Dương Đình Sáng 5 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp - Biểu diễn 2-D trong mặt phẳng E và H: Ngoài cách biểu diễn 3-D như trên, giản đồ phương hướng còn được biểu diễn bởi 2 đồ thị 2-D trong mặt phẳng E và mặt phẳng H. Giản đồ phương hướng 3-D có thể được xây dựng từ hai giản đồ 2-D này. Để có được giản đồ bức xạ 2-D, hệ anten được đo giản đồ phương hướng trong hai mặt phẳng E và H của anten (mặt phẳng cắt). Mặt phẳng cắt thu được bằng cách giữ nguyên một đại lượng θ hoặc ф và thay đổi đại lượng còn lại. - Biểu diễn dưới dạng các đường đẳng mức: Giản đồ phương hướng còn có thể biểu diễn bởi các đường cong đẳng mức của cường độ trường. Các đường cong này là các đường khép kín. Cực đại của giản đồ phương hướng và của các múi phụ được biểu thị bởi các dấu chấm trên mặt cầu. Khi đem chiếu phần mặt cầu có các đường đẳng trị nói trên lên mặt phẳng ta sẽ nhận được giản đồ phương hướng của trường bức xạ. Tuy nhiên, khi biểu diễn giản đồ phương hướng, cần phải chọn các mặt phẳng cắt sao cho nó phản ánh được đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ: - Khi giản đồ phương hướng có dạng tròn xoay thì có thể chọn mặt cắt là mặt phẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị. - Khi giản đồ phương hướng có dạng phức tạp hơn thì mặt cắt thường được chọn là hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua hướng cực đại của giản đồ phương hướng. Hướng trục của hệ tọa độ có thể chọn tùy ý nhưng thường được chọn sao cho thích hợp với dạng của giản đồ phương hướng. Nếu giản đồ phương hướng có trục đối xứng thì tốt nhất nên chọn trục đó làm trục tọa độ, còn không thì chọn hướng cực đại của giản đồ phương hướng. Giản đồ phương hướng 2-D có thể biểu diễn trong hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độ vuông góc: - Hệ toạ độ cực thường được sử dụng để vẽ giản đồ anten có độ định hướng không cao. Định dạng này đặc biệt hữu dụng để quan sát phân bố công suất trong không gian. - Hệ tọa độ vuông góc được sử dụng để biểu thị giản đồ phương hướng hẹp một cách chi tiết. Trường hợp này biên độ tín hiệu nằm trên trục y và góc nghiêng nằm trên trục x. Khi đó các giá trị của |fθ| hoặc |fφ| có thể được biểu thị theo thang tỉ lệ thông thường hay theo thang logarit. Dương Đình Sáng 6 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Để thuận tiện cho việc thiết lập và phân tích các giản đồ phương hướng, ta thường dùng giản đồ phương hướng chuẩn hóa. Về mặt toán học, hàm phương hướng chuẩn hóa là hàm hướng chia cho giá trị cực đại của môđun (lấy giá trị tuyệt đối). Dưới đây là ví dụ về giản đồ phương hướng chuẩn hoá trong hệ tọa độ cực và hệ tọa độ vuông góc: Hình 3: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực Dương Đình Sáng 7 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Hình 4: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc Để so sánh giản đồ phương hướng của các anten khác nhau, ta đưa ra khái niệm độ rộng của giản đồ phương hướng. Độ rộng của giản đồ phương hướng được định nghĩa là góc giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đến một giá trị nhất định. Thường thì độ rộng của giản đồ phương hướng được xác định ở hai mức: - Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức không là góc giữa hai hướng mà theo đó cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không. - Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức nửa công suất (-3dB) là góc giữa hai hướng mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với cường độ trường giảm đi 2 lần). c) Hàm phương hướng pha Đặc tính phương hướng pha của anten biểu thị trong các hàm số arg f θ và arg f ϕ của công thức (1.3). Ở đây, arg f θ và arg f ϕ chỉ biểu thị pha của hàm phương hướng, còn pha của các thành phần vectơ trường tại điểm khảo sát được xác định bởi: Φθ = arg f θ − kR Φϕ = arg f ϕ − kR Với k là hệ số truyền sóng và R là khoảng cách từ điển khảo sát tới anten. 1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ Ta đã biết ba đặc tính cơ bản của trường bức xạ là đặc tính phương hướng biên độ, đặc tính phương hướng pha và đặc tính phân cực. Ở phần này ta sẽ xem xét về đặc tính phân cực của trường bức xạ. Biên độ phức của vectơ điện trường được xác định bằng công thức: − ik e −ik R E = [ f θ iθ + f ϕ iϕ ] 4π R Giả thiết theo một hướng nào đấy hàm số fϕ = 0 , điện trường chỉ có thành phần duy nhất hướng theo nghĩa là theo hướng đó vectơ iϕ. Ta nói, theo hướng này điện trường phân cực thẳng. Nếu theo một hướng khác có f θ = 0 thì điện trường theo hướng đó cũng phân cực thẳng nhưng vectơ điện trường hướng theo Dương Đình Sáng 8 iϕ. Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Nếu ở hướng nào đó mà cả hai hàm số f θ và fϕ đều khác không, còn argument của chúng bằng nhau thì vectơ E sẽ có hai thành phần theo hướng iθ và iϕ. Nhưng vì hai thành phần này đồng pha nhau nên hướng của E trong không gian sẽ không đổi, ta cũng nhận được trường phân cực thẳng. Nếu hiệu argument của hai thành phần bằng π , nghĩa là có thể coi một trong hai thành phần hướng cùng chiều với vectơ đơn vị, còn thành phần thứ hai hướng ngược chiều với vectơ đơn vị nhưng hai thành phần này đồng pha nhau. Ta có hướng của vectơ E trong không gian cũng không biến đổi và vẫn nhận được trường phân cực thẳng. Khi ở tất cả các hướng đều nhận được trường phân cực thẳng, ta nói anten bức xạ sóng phân cực thẳng. Nếu ở hướng nào đó có f θ và arg f ϕ fϕ khác không, còn arg f θ và có giá trị khác nhau tùy ý thì trường ở hướng ấy sẽ là trường phân cực elip. Thực vậy, nếu gọi các vectơ thành phần trên hướng iθ và còn hiệu argument của chúng bằng π 2 (arg fϕ iϕ là E1 và E 2 , π - arg f θ = ), ta có thể viết biểu thức 2 giá trị tức thời phức số các thành phần trường (với giả thiết trường biến thiên điều hòa theo thời gian) như sau: E1 = Eθ = − ik f θm e i ( wt −kR +arg fθ ) 4πR E 2 = Eϕ = − ik i ( wt −kR +arg fϕ ) f ϕm e 4πR Kí hiệu: E1m = k f θm 4πR E2 m = k f ϕm 4πR Khi E1m = E2m thì phân cực elip biến thành phân cực tròn. Mặt phẳng tạo bởi vectơ điện trường và hướng truyền sóng được gọi là mặt phẳng phân cực. 1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi Dương Đình Sáng 9 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten là giống nhau. Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn nguyên tố nào đó đã biết. Nếu lấy anten chuẩn là nguồn vô hướng thì hệ số định hướng có thể được định nghĩa: hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp. D (θ1 , ϕ1 ) = S (θ1 , ϕ1 ) S0 Trong đó: S (θ1 , ϕ1 ) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (θ1 , ϕ1 ) đã cho tại khoảng cách R. S0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng. Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc anten. Tính toán cuối cùng cho ta: 4π Fm ( θ 1 , ϕ 1 ) 2 D = π 2π 0 0 ∫ ∫ F ( θ , ϕ ) sin θ dθ dϕ 2 m = Dmax Fm ( θ 1 , ϕ 1 ) 2 ở đó, Dmax là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại. Fm ( θ , ϕ ) 2 là hàm phương hướng chuẩn hoá . Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1. Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten. Nó được xác định bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten: ηA = PΣ P0 Dương Đình Sáng 10 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Trong đó: PΣ là công suất bức xạ P0 là công suất đặt vào anten Đối với anten có tổn hao thì PΣ < P0 nên η A < 1 . Đối với anten lý tưởng (không tổn hao) thì η A = 1 . Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau, thì anten thực (có η A < 1 ) sẽ có công suất bức xạ ηA P0 . Như vậy, so với khi công suất bức xạ bằng nhau thì trong trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng ηA . Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten: ε (θ , ϕ) = η A S (θ , ϕ) = η A D(θ , ϕ) S0 Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị tổn hao trên anten. 1.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten 1.1.4.1 Khái niệm chung Trong đường truyền nói chung, tiếp điện cho anten nói riêng, việc phối hợp trở kháng là hết sức quan trọng. Nội dung của phối hợp trở kháng được minh hoạ ở hình 5, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng . Mạch phối hợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Z o của đường truyền. Khi ấy sự phản xạ sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn sẽ không còn nữa, chỉ còn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều lần . Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh. Dương Đình Sáng 11 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Hình 5: Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền sóng 1.1.4.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng Sự phối hợp trở kháng hay điều chỉnh là quan trọng vì những lí do sau : - Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại còn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu. - Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v.. - Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp diện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chọn công suất. 1.2 Đường truyền vi dải và anten mạch dải 1.2.1 Đường truyền vi dải Hệ thống kỹ thật siêu cao tần trong những ngày đầu dùng đường truyền ống dẫn sóng và cáp đồng trục là chủ yếu, về sau phát triển thêm công nghệ đường truyền dải và dần trở nên chiếm ưu thế. Vào những năm 50, những người nghiên cứu đang tìm kiếm một cách thức đơn giản hơn và rẻ hơn để chế tạo nhiều hàm tích hợp trong một khối đã phát triển mạch dải (stripline) và vi dải (microstrip). Ống dẫn sóng có ưu điểm là khả năng truyền tải công suất lớn, tổn hao nhỏ nhưng kích thước lớn và chi phí cao. Cáp đồng trục cho độ rộng dải thông lớn và dễ sử dụng nhưng khó kết nối với các thiết bị siêu cao tần khác. Công nghệ đường truyền dải đã cung cấp các đường truyền cóa chi phí thấp, dễ phối họp với các phần tử tích cực như diot, tranzito, phạm vi trở kháng đặc trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải thông tương đối rộng. 1.2.1.1 Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải. Dương Đình Sáng 12 Trường Đại học CôngNghệ