Trong kỹ thuật vô tuyến, ăng-ten là một loại đầu dò đặc biệt được thiết kế với nhiều dây dẫn được kết nối điện với máy phát hoặc máy thu. Chức năng chính của ăng-ten là truyền và nhận sóng vô tuyến đồng đều theo mọi hướng ngang. Ăng-ten có nhiều loại và hình dạng khác nhau. Ăng-ten nhỏ thường được tìm thấy trên mái nhà để xem truyền hình, trong khi ăng-ten lớn thu tín hiệu từ các vệ tinh cách xa hàng triệu dặm. Ăng-ten di chuyển cả theo chiều dọc và chiều ngang để thu và truyền tín hiệu. Có nhiều loại ăng-ten, chẳng hạn như ăng-ten khẩu độ, ăng-ten dây, ăng-ten thấu kính, ăng-ten phản xạ, ăng-ten vi dải, ăng-ten logarit, ăng-ten mảng và nhiều loại khác. Bài viết này sẽ cung cấp tổng quan về ăng-ten vi dải.

Định nghĩa về ăng-ten vi dải.

Ăng-ten được tạo thành bằng cách khắc một vật liệu dẫn điện lên bề mặt điện môi được gọi là ăng-ten vi dải hoặc ăng-ten vá. Vật liệu điện môi được gắn trên mặt phẳng tiếp đất của ăng-ten vi dải này, giúp nâng đỡ toàn bộ cấu trúc. Hơn nữa, việc kích thích ăng-ten có thể được thực hiện thông qua một cáp cấp nguồn được kết nối với phần vá. Những ăng-ten này thường được coi là ăng-ten có kích thước nhỏ gọn, được sử dụng trong các ứng dụng vi sóng với tần số trên 100 MHz.

Các vi dải/miếng vá anten có thể được lựa chọn với các hình dạng chữ nhật, vuông, elip và tròn để dễ dàng phân tích và chế tạo. Một số anten vi dải không sử dụng chất nền điện môi mà được làm từ các tấm kim loại gắn trên mặt phẳng tiếp đất với các miếng đệm điện môi. Do đó, cấu trúc thu được kém cứng vững hơn nhưng cung cấp băng thông rộng hơn.

Cấu trúc anten vi dải

Ăng-ten vi dải có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các tấm kim loại rất mỏng đặt trên một tấm nền giữa hai lớp vật liệu điện môi. Vật liệu điện môi đóng vai trò là vật liệu đỡ, ngăn cách các tấm kim loại với mặt đất. Khi ăng-ten này được kích thích, các sóng được tạo ra trong chất điện môi sẽ bị phản xạ, và năng lượng phát ra từ các cạnh của các tấm kim loại rất thấp. Hình dạng của các ăng-ten này có thể được xác định từ hình dạng của các tấm kim loại được sắp xếp trên vật liệu điện môi.

Thông thường, các dải/miếng vá và đường dẫn tín hiệu được khắc bằng ánh sáng lên bề mặt chất nền. Ăng-ten vi dải có nhiều hình dạng khác nhau, chẳng hạn như hình vuông, hình lưỡng cực, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip và hình chữ nhật. Mặc dù chúng ta biết rằng các miếng vá có thể được đúc thành nhiều hình dạng khác nhau, nhưng do dễ chế tạo, các miếng vá hình tròn, hình vuông và hình chữ nhật được sử dụng phổ biến nhất.

Ăng-ten vi dải có thể được cấu tạo bằng cách sử dụng một nhóm các miếng vá đặt trên một chất nền điện môi. Một hoặc nhiều đường cấp nguồn được sử dụng để kích thích ăng-ten vi dải; do đó, một mảng các phần tử vi dải cung cấp khả năng điều khiển hướng tốt hơn, độ lợi cao hơn và phạm vi truyền dẫn rộng hơn với độ nhiễu thấp hơn.

Nguyên lý hoạt động của ăng-ten vi dải.

Ăng-ten vi dải hoạt động như sau: Khi dòng điện chạy qua dây dẫn vào dải của ăng-ten vi dải, sóng điện từ được tạo ra. Những sóng này sau đó bắt đầu bức xạ từ phía chiều rộng của dải. Tuy nhiên, vì độ dày của dải rất nhỏ, các sóng được tạo ra trong giá đỡ sẽ bị phản xạ qua các cạnh của dải. Cấu trúc dải không đổi dọc theo chiều dài của nó ngăn cản bức xạ lan ra ngoài.

Khả năng bức xạ thấp của ăng-ten vi dải giới hạn phạm vi phủ sóng chỉ ở các tín hiệu tầm ngắn, chẳng hạn như trong cửa hàng, không gian trong nhà hoặc văn phòng cục bộ. Do đó, việc truyền tín hiệu kém hiệu quả này là không thể chấp nhận được ở các khu vực lớn, tập trung. Ăng-ten dạng mảng thường cung cấp vùng phủ sóng bán cầu ở các góc 30⁰–180⁰ ở một khoảng cách nhất định so với giá đỡ.

Thông số kỹ thuật ăng-ten vi dải

Thông số kỹ thuật của ăng-ten vi dải như sau:

• Tần số cộng hưởng là 1,176 GHz.
• Dải tần số của ăng-ten vi dải nằm trong khoảng từ 2,26 GHz đến 2,38 GHz.
• Hằng số điện môi của chất phản ứng là 5,9.
• Chiều cao của tấm đỡ điện môi là 635 µm.
• Phương pháp cấp giấy là cấp giấy dạng dải siêu nhỏ.
• Hệ số tang của tổn thất là 0,0012.
• Dây dẫn điện có màu bạc.
• Độ dày của dây dẫn là 25µm.
• Băng thông là ± 10 GHz.
• Mức tăng âm lượng trên 5dB.
• Tỷ lệ trục nhỏ hơn 4dB.
• Mức suy hao phản xạ tốt hơn 15dB.

Các loại anten vi dải

Có một số loại ăng-ten vi dải để lựa chọn, và chúng sẽ được thảo luận chi tiết hơn ở phần dưới đây.

Ăng-ten vá vi dải

Loại anten này là anten cấu hình thấp, bao gồm các tấm kim loại được bố trí trên mặt đất xuyên qua một vật liệu điện môi. Các anten này rất nhỏ và có công suất bức xạ thấp. Trong loại anten cụ thể này, có một tấm kim loại bức xạ ở một bên của đế điện môi và một mặt phẳng tiếp đất ở phía còn lại.

Ăng-ten dạng mảng thường được làm từ các vật liệu dẫn điện như vàng hoặc đồng. Loại ăng-ten này có thể dễ dàng được gắn lên bảng mạch in (PCB) bằng kỹ thuật vi cắt. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng vi sóng với tần số trên 100 MHz.

Ăng-ten lưỡng cực vi dải

Ăng-ten lưỡng cực vi dải là một dây dẫn vi dải mỏng được gắn trên một đế vật lý và được bao bọc hoàn toàn bằng kim loại ở một mặt, được gọi là mặt phẳng tiếp đất. Các ăng-ten này được sử dụng trong các thiết bị truyền thông kỹ thuật số như máy tính và các nút mạng không dây (WLAN). Do băng thông thấp, chúng phù hợp để sử dụng tại các điểm truy cập WLAN.

Ăng-ten kênh in

Ăng-ten kênh in đóng vai trò quan trọng trong việc tăng băng thông ăng-ten bằng cách bức xạ theo cả hai hướng. Độ nhạy của các ăng-ten này thấp hơn so với các ăng-ten thông thường. Các ăng-ten này cần được đặt dọc theo đường dây cấp nguồn, ngược chiều với tấm đỡ và vuông góc với trục kênh nằm phía trên tấm vá.

Ăng-ten sóng truyền vi dải

Hầu hết các ăng-ten vi dải sóng di động được thiết kế với các vi dải đủ dài và rộng để chứa các kết nối TE. Loại ăng-ten vi mạch này được thiết kế sao cho chùm tia chính nằm dọc theo toàn bộ đường đi từ phía trước đến phía đuôi.

Cách cấp nguồn cho ăng-ten vi dải.

Ăng-ten vi dải có hai phương pháp cấp nguồn: cấp nguồn tiếp xúc và cấp nguồn không tiếp xúc, được mô tả chi tiết bên dưới.

Nguồn cấp dữ liệu liên hệ

Năng lượng trong đường cấp nguồn tiếp xúc được cung cấp trực tiếp cho phần tử bức xạ, do đó điều này có thể được thực hiện bằng cáp đồng trục/microstrip. Phương pháp cấp nguồn này được chia thành hai loại: cấp nguồn microstrip và cấp nguồn đồng trục, sẽ được mô tả chi tiết hơn ở phần sau.

Cấp nguồn vi dải

Các đường dẫn vi dải là các dải dẫn điện hẹp hơn nhiều so với chiều rộng của phần tử bức xạ. Các đường dẫn này giúp việc khắc trên chất nền dễ dàng hơn vì tấm nền nhỏ hơn. Một ưu điểm của cách bố trí đường dẫn này là nó cho phép khắc các chất nền tương tự trên cùng một chất nền để đạt được cấu trúc phẳng. Các đường dẫn tiếp cận cấu trúc có thể được đặt ở giữa tâm, lệch tâm hoặc chèn vào. Mục đích chính của việc cắt chèn bên trong mảng là để khớp trở kháng của đường dẫn với mảng mà không cần các phần tử khớp trở kháng bổ sung.

Cấp nguồn đồng trục

Phương pháp cấp nguồn này là phương pháp cấp nguồn không phẳng, sử dụng cáp đồng trục trục Z để cấp tín hiệu cho anten dạng mảng. Phương pháp cấp nguồn này được sử dụng với anten vi dải, trong đó dây dẫn bên trong được nối trực tiếp với anten dạng mảng, trong khi dây dẫn bên ngoài được nối đất.

Trở kháng thay đổi tùy thuộc vào cách bố trí đường cấp nguồn đồng trục. Việc kết nối đường cấp nguồn ở bất kỳ vị trí nào trong mảng anten giúp đơn giản hóa việc phối hợp trở kháng. Tuy nhiên, việc kết nối đường cấp nguồn dọc theo mặt phẳng tiếp đất tương đối khó khăn do cần phải khoan lỗ trên chất nền. Phương pháp cấp nguồn này đơn giản hơn nhiều và tạo ra ít bức xạ nhiễu hơn, nhưng nhược điểm chính là việc kết nối với đầu nối mặt phẳng tiếp đất.

Cấp liệu không tiếp xúc

Năng lượng điện được truyền đến phần tử bức xạ từ đường dây cấp nguồn thông qua ghép nối điện từ. Có ba loại phương pháp cấp nguồn: kết nối khe hở, kết nối gần và kết nối nhánh.

Nạp đạn khớp khẩu độ

Kỹ thuật cấp nguồn kênh hở bao gồm hai giá đỡ điện môi: giá đỡ điện môi anten và giá đỡ điện môi cấp nguồn, được ngăn cách đơn giản bởi một mặt phẳng tiếp đất có khe hở ở giữa. Tấm kim loại được đặt phía trên giá đỡ anten, trong khi mặt phẳng tiếp đất nằm ở phía bên kia của giá đỡ điện môi anten. Để cách ly các tín hiệu, cáp cấp nguồn và giá đỡ điện môi cấp nguồn được đặt ở phía đối diện của mặt phẳng tiếp đất.

Kỹ thuật cấp liệu này mang lại độ tinh khiết phân cực vượt trội, điều mà các kỹ thuật cấp liệu khác không thể đạt được. Cấp liệu bằng ghép nối lỗ khẩu độ cung cấp băng thông cao và đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng mà sự chuyển tiếp liền mạch từ lớp này sang lớp khác là không mong muốn. Nhược điểm chính của kỹ thuật cấp liệu này là nó yêu cầu đúc nhiều lớp.

Nguồn cấp dữ liệu phù hợp chặt chẽ

Ăng-ten cấp nguồn kiểu ghép gần, còn được gọi là cấp nguồn gián tiếp khi không có mặt phẳng tiếp đất, dễ chế tạo hơn đáng kể so với ăng-ten ghép khe hở. Một điểm kết nối được cung cấp trên bề mặt dẫn điện của ăng-ten, và nguồn cấp được kết nối bằng dây dẫn vi dải.

Phương pháp cấp nguồn này cung cấp bức xạ nhiễu thấp và băng thông cao. Đường cấp nguồn trong phương pháp này được đặt giữa hai lớp điện môi. Cạnh cấp nguồn được đặt tại điểm mà trở kháng đầu vào của anten vi dải là 50 ôm. Kỹ thuật cấp nguồn này mang lại hiệu quả băng thông tốt hơn so với các phương pháp khác. Nhược điểm chính của kỹ thuật này là việc chế tạo nhiều lớp phức tạp và độ tinh khiết phân cực thấp.

Nguồn cấp dữ liệu nhánh

Trong kỹ thuật cấp nguồn nhánh, dải dẫn điện được kết nối trực tiếp với mép của mảng vi mạch. So với mảng vi mạch, chiều rộng của dải dẫn điện nhỏ hơn. Ưu điểm chính của kỹ thuật cấp nguồn này là đường cấp nguồn được khắc lên một chất nền tương tự để tạo ra cấu trúc phẳng.

Việc cắt rãnh có thể được kết hợp với miếng vá để đạt được sự phối hợp trở kháng tuyệt vời mà không cần thiết bị phối hợp bổ sung. Điều này đạt được bằng cách kiểm soát chính xác vị trí của rãnh; nếu không, một rãnh có thể được cắt và phay từ miếng vá đến kích thước phù hợp. Hơn nữa, kỹ thuật cấp nguồn này cũng được sử dụng và được gọi là kỹ thuật cấp nguồn đường nhánh.

Mô hình bức xạ của ăng-ten vi dải.

Đồ thị biểu diễn đặc tính bức xạ của một ăng-ten được gọi là giản đồ bức xạ, mô tả cách ăng-ten phát ra năng lượng vào không gian. Sự thay đổi công suất điện theo góc thu phát được khảo sát trong vùng trường xa của ăng-ten.

Mô hình bức xạ của ăng-ten vi dải rộng, có công suất bức xạ thấp và băng thông hẹp. Mô hình bức xạ của một ăng-ten vi dải có giá trị bức xạ thấp hơn được thể hiện bên dưới. Việc sử dụng các ăng-ten này cho phép tạo ra các mảng ăng-ten có giá trị bức xạ cao hơn.

Đặc trưng

Các đặc điểm của ăng-ten vi dải như sau:

• Vùng tiếp xúc của ăng-ten vi dải phải là một khu vực dẫn điện rất mỏng.
• So với một mảng đất nhỏ, diện tích mặt đất cần phải lớn hơn đáng kể.
• Quá trình khắc quang học trên bề mặt được thực hiện để tạo ra các phần tử bức xạ và đường dẫn tín hiệu.
• Tấm đỡ điện môi dày với hằng số điện môi trong khoảng từ 2,2 đến 12 cho phép ăng-ten hoạt động cực kỳ hiệu quả.
• Mảng phần tử vi dải trong thiết kế anten vi dải cung cấp hiệu suất định hướng vượt trội.
• Ăng-ten vi dải cung cấp độ rộng chùm tia cao.
• Ăng-ten này có hệ số Q cực cao. Hệ số Q cao dẫn đến hiệu suất và băng thông thấp; tuy nhiên, điều này có thể được bù đắp bằng cách tăng chiều rộng của giá đỡ. Tuy nhiên, việc tăng chiều rộng vượt quá giới hạn quy định sẽ dẫn đến tổn thất công suất không cần thiết.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm của ăng-ten vi dải như sau:

• Ăng-ten vi dải có kích thước rất nhỏ.
• Những ăng-ten này nhẹ hơn.
• Quy trình sản xuất ăng-ten này rất đơn giản.
• Việc lắp đặt rất dễ dàng nhờ kích thước và thể tích nhỏ gọn.
• Nó cho phép tích hợp dễ dàng với các thiết bị khác.
• Ăng-ten này có thể hoạt động ở cả chế độ tần số kép và tần số ba.
• Các loại ăng-ten mảng này có thể dễ dàng chế tạo.
• Ăng-ten này có độ cứng cao khi đặt trên các bề mặt chắc chắn.
• Việc sản xuất, tùy chỉnh và sửa đổi rất dễ dàng.
• Ăng-ten này có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp.
• Ăng-ten này có khả năng phân cực tuyến tính và phân cực tròn.
• Thích hợp cho ăng-ten mảng.
• Hỗ trợ các mạch tích hợp vi sóng nguyên khối.
• Băng thông có thể được mở rộng đơn giản bằng cách cải thiện độ rộng của vật liệu điện môi.

Những nhược điểm của ăng-ten vi dải như sau:

• Ăng-ten này có độ khuếch đại thấp hơn.
• Hiệu suất của loại anten này thấp do tổn hao dẫn điện và điện môi.
• Ăng-ten này có phạm vi bức xạ phân cực cao.
• Ăng-ten này có khả năng quản lý công suất thấp.
• Nó có trở kháng băng thông thấp hơn.
• Cấu trúc của ăng-ten này phát xạ từ các bộ cấp nguồn và các điểm nối khác.
• Ăng-ten này thể hiện hiệu suất rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường.
• Các loại ăng-ten này dễ phát ra bức xạ từ các nguồn cấp tín hiệu không mong muốn.
• Ăng-ten này có tổn hao dẫn điện và điện năng cao hơn.

Ứng dụng

Các ứng dụng của ăng-ten vi dải như sau:

• Ăng-ten vi dải có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như tên lửa, vệ tinh, tàu vũ trụ, máy bay, hệ thống truyền thông không dây, điện thoại di động, viễn thám và radar.
• Các ăng-ten này được sử dụng trong truyền thông không dây để chứng minh khả năng tương thích với các thiết bị di động như điện thoại di động và máy nhắn tin.
• Chúng được sử dụng trên tên lửa như ăng-ten để liên lạc.
• Các ăng-ten này có kích thước nhỏ, vì vậy chúng được sử dụng trong truyền thông vi sóng và vệ tinh.
• GPS là một trong những lợi ích chính của ăng-ten vi dải, vì nó giúp dễ dàng theo dõi vị trí của xe cộ và tàu thuyền.
• Chúng được sử dụng trong radar mảng pha để xử lý một số sai lệch về băng thông phần trăm.

Làm thế nào tôi có thể cải thiện băng thông của ăng-ten vi dải?

Băng thông của anten vi dải có thể được tăng lên bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như tăng độ dày bề mặt với hằng số điện môi thấp, xẻ rãnh, cấp tín hiệu qua các rãnh khuyết và các cấu hình anten khác nhau.

Tại sao ăng-ten vi dải lại phát ra bức xạ?

• Ăng-ten vi dải dạng miếng vá phát xạ chủ yếu do trường biên giữa mép miếng vá và mặt phẳng tiếp đất.

Làm thế nào để tăng độ khuếch đại của ăng-ten vi dải?

• Độ lợi của ăng-ten vi dải có thể được tăng lên bằng cách sử dụng các mảng cộng hưởng và một khe hở không khí giữa mảng cấp nguồn và mặt phẳng tiếp đất.

Bài viết này cung cấp tổng quan về ăng-ten vi dải, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của chúng. Loại ăng-ten này là một phát minh tương đối hiện đại, cho phép tích hợp thuận tiện các ăng-ten và các mạch điều khiển khác của hệ thống truyền thông lên các bảng mạch in (PCB) hoặc chip bán dẫn thông thường. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống vi sóng hiện đại trên dải tần gigahertz. Ưu điểm chính của loại ăng-ten này là thiết kế nhẹ, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn và khả năng tương thích với cả IC vi sóng nguyên khối và lai.