Phân tíh, thiết kế và hế tạo mẫu anten ho thiết bị đầu uối thông tin vô tuyến

Với mục đích nắm bắt và làm chủ công nghệ này, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu, phân tích và mô phỏng anten thu phát thiết bị đầu cuối, cụ thể trong luận văn này tác giả sẽ đi vào t

NGUYỄN VĂN NHUNG

PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHẠM THÀNH CÔNG

HÀ NỘI – 2014

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131929551000000

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì được viết trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác, nếu có đều được trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể

Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây

Hà N ội, ngày 24 tháng 3 năm 2014

Tác giả luận văn

Nguy ễn Văn Nhung

3

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, khẩn trương với sự giúp đỡ

hướng dẫn tận tình của TS Phạm Thành Công cùng với sự chỉ bảo của các thầy, cô

trong Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn “Phân tích, thiết kế và chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thông tin vô tuyến” đã cơ bản

hoàn thành

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Công đã trực tiếp hướng dẫn tôi

hoàn thành luận văn này

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học- Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn đúng tiến độ, cùng tập thể bạn bè đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ những công việc đầu tiên và trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tuy đã rất nỗ lực phấn đấu, nhưng do thời gian có hạn vì vậy luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 24 tháng 3 năm 2014

4

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ANTEN 12

1.1 Giới thiệu về Anten 12

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten 12

1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 12

1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 13

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten 14

1.1.5 Các loại Anten 15

1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten 16

1.2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ 16

1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ 18

1.2.3 Dải tần và dải tần công tác 23

1.2.3.1 Dải thông tần 23

1.2.3.2 Dải tần công tác 23

1.2.4 Hệ phương trình Maxwell 24

1.2.5 Các tham số cơ bản của Anten 29

1.2.5.1 Hệ số định hướng 29

1.2.5.2 Hệ số tăng ích 31

1.2.5.3 Băng thông 32

1.2.5.4 Phân cực 33

1.2.5.5 Trở kháng vào 37

1.2.5.6 Tỷ số sóng đứng điện áp 38

5

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ ANTEN PIFA 39

2.1 Giới thiệu về anten PIFA 39

2.1.1 Cấu tạo anten PIFA 39

2.1.2 Mô hình điện 40

2.1.3 Ưu nhược điểm của anten PIFA 40

2.1.4 Ứng dụng của PIFA trong thực tế 41

2.2 Các thông số kỹ thuật của anten PIFA 42

2.2.1 Tần số cộng hưởng 42

2.2.2 Băng thông 42

2.2.3 Đồ thị bức xạ 44

2.2.4 Độ rộng búp sóng 46

2.2.5 Hệ số phẩm chất Q 46

2.2.6 Hiệu suất bức xạ 47

2.3 Đường truyền vi dải 48

2.3.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 48

2.3.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải 48

2.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten PIFA 50

2.4.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải 50

2.4.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục 51

2.4.3 Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe 52

2.5 Tính toán kích thước cho anten PIFA 53

2.6 Công nghệ đa băng cho anten PIFA 54

2.6.1 Sử dụng hai patch riêng rẽ 54

2.6.2 Cắt rãnh trên một patch 55

2.6.2.1 Sử dụng rãnh L 55

2.6.2.2 Sử dụng rãnh chữ U 55

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA 58

3.1 Thiết kế 58

6

3.2 Mô phỏng 60

3.2.1 Mô hình anten PIFA trong HFSS 60

3.2.2 Kết quả mô phỏng 60

3.2.2.1 Tỉ số S11 60

3.2.2.2 Trở kháng 61

3.2.2.3 Đồ thị phương hướng 61

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

CHƯƠNG 5 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang

TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang

TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang

MoM Moment of Method Phương pháp moment

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử

hữu hạn

FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời

gian hữu hạn

AF Array Factor Hệ số mảng

2D Two Dimensional Hai chiều

3D Three Dimensional Ba chiều

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng

HFSS High Frequency Structure Simulator Bộ mô phỏng cấu trúc

tần số cao

8

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hì nh 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin 12

Hình 1.2: Các lo ại anten 15

Hình 1.3: H ệ thống bức xạ 16

Hình 1.4: Ví d ụ về mạch dao động tập trung 17

Hình 1.5: S ự quay của vector điện trường phân cực ellip 34

Hình 1.6: Phân c ực ellip ở z = 0 34

Hình 2.1: Anten PIFA 39

Hình 2.2: Mô hì nh điện của anten PIFA 40

Hì nh 2.3: Anten PIFA trong điện thoại di động 41

Hình 2.4: C ắt rãnh trên mặt phẳng ground 43

Hình 2.5: Ground hình L 44

Hình 2.6: Ground thường 44

Hình 2.7: H ệ tọa độ cho phân tích anten 45

Hình 2.8: Mô hình đường truyền vi dải 48

Hình 2.9: Gi ản đồ trường của một đường truyền vi dải 49

Hình 2.10: C ấp nguồn bằng đường truyền vi dải 50

Hình 2.11: C ấp nguồn bằng probe đồng trục 51

Hình 2.12: C ấp nguồn bằng phương pháp ghép khe 52

Hình 2.13: Kí ch thước anten PIFA 53

Hình 2.14: S ử dụng hai miếng patch riêng rẽ 54

Hình 2.15: S ử dụng rãnh L trên patch 55

Hình 2.16: S ử dụng rãnh U trên patch 55

Hình 2.17: S ử dụng một khe phân nhánh 56

Hình 2.18: G ấp nếp miếng Patch 56

9

Hình 3.1: C ấu trúc tấm patch 59

Hình 3.2: Mô hình anten PIFA trong HFSS 60

Hì nh 3.3: Đáp ứng tần số của tỉ số S11 60

Hì nh 3.4: Đồ thị trở kháng 61

Hì nh 3.5: Đồ thị phương hướng tại f = 900MHz 61

Hì nh 3.6: Đồ thị phương hướng tại f = 1800MHz 62

2 M ục đích nghiên cứu

− Phân tính, thuật toán các tham số của anten

− Thực hiện mô phỏng sử dụng phần mềm

− Tối ưu hóa thiết kế dùng phần mềm

− Chế tạo mẫu và đo đạc thực

3 Đối tượng nghiên cứu

Một số tài liệu về kỹ thuật phân tích và thiết kế anten, kỹ thuật truyền phát thông tin vô tuyến

Các bài viết trên các báo về công nghệ thu phát vô tuyến, các công trình nghiên cứu về đặc tính của anten PIFA

Kỹ thuật mô phỏng, ứng dụng trong công tác nghiên cứu và chế tạo

4 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Tính thực tiễn của đề tài: Trong thời gian gần đây nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triển rất nhanh trong hầu hết các lĩnh vực từ thông tin vô tuyến như thông tin di động, truy cập Internet không dây,… Mỗi thiết bị vô tuyến cần phải có

− Phương pháp luận nghiên cứu logic

5 C ấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn được chia thành 3 phần với nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về Anten

Giới thiệu sơ lược về anten, trình bày lý thuyết về anten, giới thiệu các loại anten và một số thông số của anten

Chương 2: Tổng quan về anten PIFA

Trong chương này giới thiệu những điều cơ bản về anten PIFA, cấu tạo, đặc điểm, nguyên lý hoạt động và các phương pháp cấp nguồn Ở luận văn này sẽ tập trung vào phân tích một anten PIFA và công nghệ đa băng cho anten

Ch ương 3: Thiết kế và mô phỏng

Phần đầu sẽ tính toán, thiết kế và mô phỏng cho anten PIFA Qua mô phỏng xác định một số thông số của anten PIFA Trong luận văn này ta thiết kế anten PIFA hoạt động tại hai băng tần 900MHz và 1800MHz

12

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ANTEN

1.1 Giới thiệu về Anten

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten

Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ Anten

có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như: cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang

Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ Thông thường suy hao trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số Điều này được hiểu ngầm rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu sẽ kém thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải năng lượng trường điện từ (Điều này cũng có nghĩa là hiệu suất của anten cũng tăng theo tần số) Do đó thực tế anten được

ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải các trường điện từ ở tần số cao

1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Hình 1.1 là sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin

13

Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó.

1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, v.v… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến)

Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vậy cần phải có một thiết

bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Loại thiết bị này được gọi là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ

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, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết

14

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển… thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten

Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị

vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về:

mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau vào ban ngày

và ban đêm Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổi đáng kể về chất lượng

− Tính phân cực

Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể Chẳng hạn anten phải đặt trên vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip)

15

Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định

Để đánh giá được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật

đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau đây: – Nhóm các đặc trưng: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực – Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kháng vào…

1.1.5 Các loại Anten

Trong thực tế ta thường gặp một số loại anten như: Anten dây (thanh) anten khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, và hệ thống bức xạ

Hình 1.2: C ác loại anten

16

Hình 1.3: H ệ thống bức xạ

1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten

1.2.1 Quá trình 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 khả năng bức xạ sóng điện từ Tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để ví dụ ta xét một mạch dao động 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 điện sẽ phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh một

từ trường biến thiên Những điện trường, từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng điện 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

17

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1.4b) thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện)

Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 1.4 c, d) thì dòng điện dịch

sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên hai má tụ điện nữa Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụ điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên hai má

tụ điện Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đường sức ấy sẽ biến thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện

Hình 1.4: Ví d ụ về mạch dao động tập trung

Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thời điểm nào đó, điện trường tại M có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích trên hai má tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0 Khi ấy các đường sức điện trường sẽ không còn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian, nghĩa là đã hình thành một trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành một quá trình sóng điện từ

18

Phần năng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi

là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công Phần năng lượng điện từ ràng buộc

với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ,

được gọi là năng lượng vô công

Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức xạ điện từ có hiệu quả là một hệ thống

mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập được nhiều

vào không gian bên ngoài Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống, ta cần

mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường Dipole Hertz

là một cấu trúc bức xạ có hiệu quả Nó được hình thành từ các hệ thống điện từ nói

trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạn dây dẫn mảnh và

hai quả cầu kim loại ở hai đầu Dipole Hertz là một trong các nguồn bức xạ đơn giản

nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức tạp

1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ

Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao Trong chế độ

dao động điều hòa, giá trị tức thời của một trong các thành phần bất kỳ của vectơ Eur

Ở đây, trục z được coi là hướng truyền sóng Từ (1.1) ta thấy sự biến đổi pha

của trường dọc theo hướng truyền sóng được xác định bởi đại lượng (ω – βz)

Từ đây ta xác định được vận tốc pha của sóng:

f

dz v

dt

19

Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của các dao động điều hòa tại các điểm khác nhau của không gian khi các dao động ấy đã được sinh ra và xác lập ở mọi nơi

Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật f(t) Khảo sát ở các điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có dạng như thế nào Nói cách khác, ta sẽ xác định hàm f(t,z) nếu biết hàm f(t,0) và biết các đặc tính của môi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó

Aω ω β dωπ

1( , ) ( ) i t z

1( , ) Re ( ) i t z

( ) [ ( )]

1( , ) Re ( )

( ) ( ) ( )

0

0 0 ( )

1

d

i t z d

21

Giả thiết ( )Aξ là hàm liên tục, biến đổi chậm Khi đó trong khoảng nhỏ

[−∆ ∆β β, ] nó có thể được coi là hằng số, bằng A(β0) Trong trường hợp này:

0

0 0 ( )

1

d

i t z d

d

t z d

d

t z d

0

sin2

( , ) ( )

d

t z d

F t z A

d

t z d

Từ (1.9) khi tăng thời gian, đường bao sẽ dịch chuyển theo trục z và cực đại tại điểm

0

0

d

t z d

f

v d

v

dv d

Hệ thống định hướng mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên:

f f

1 nh c

f m

Như vậy, trong môi trường không có đặc tính tán tần thì tín hiệu có dạng bất

kỳ sẽ truyền lan với vận tốc vvà dạng của tín hiệu không bị biến đổi

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, tín hiệu 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 (trong trường hợp anten là một anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten là một 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 của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy tốt nhất là phải bảo đảm được trong suốt dải tần số làm việc R in =const và X in = 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 được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số

1.2.3.2 Dải tần công tác

Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc được ở một tần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần,… Dải tần 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 Ví dụ đối với anten chấn tử không

24

đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài và sóng trung thì yêu cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ hơn một giá trị nhất định, anten phải có khả năng phát đi một công suất đã cho và đảm bảo dải thông tần cần thiết Đối với trở kháng vào thì không cần yêu cầu có giá trị nhất định mà khi thay đổi tần số công tác ta có thể điều chỉnh lại để phối hợp trở kháng Đối với chấn

tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thì yêu cầu đặc tính phương hướng của chấn tử phải có hướng bức xạ cực đại không thay đổi khi thay đổi tần số công tác

để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầu trở kháng vào chỉ biến đổi trong một giới hạn cho phép để có thể mau lẹ chuyển tần số công tác mà không cần điều chỉnh lại mạch phối hợp trở kháng của anten…

Căn cứ theo dải tần công tác, có thể phân loại anten thành bốn nhóm:

- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

0

10%

f f

< <

- Anten dải tần siêu rộng: max

min

41

𝐸𝐸� = Re(𝐸𝐸�̇𝑒𝑒𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖) = 𝐸𝐸�̇ cos 𝜔𝜔𝜔𝜔, hoặc 𝐸𝐸� = Im (𝐸𝐸�𝑒𝑒𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖) = 𝐸𝐸� sin 𝜔𝜔𝜔𝜔, trong đó 𝐸𝐸� là biên độ phức của trường

25

Đối với dao động điện từ phức tạp, ta có thể coi nó là tổng của vô số các dao động điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị

Coi môi trường khảo sát đồng hướng và đẳng hướng, phương trình Maxwell

ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

0

e p

e

rot H i E J rot E i H divE

divH

ωεωµρε

E là biên độ phức của vectơ cường độ điện trường (V/m)

H là biên độ phức của vectơ cường độ từ trường (A/m)

  hệ số điện thẩm phức của môi trường

ε là hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m), với môi trường chân không

9 0

10( / )

μ là hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

σ là điện dẫn suất môi trường (Si/m)

e

J là biên độ phức của vectơ mật độ dòng điện (A/𝑚𝑚2)

e

ρ là mật độ khối của điện tích (C/𝑚𝑚3)

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 và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trong thiên nhiên

26

Hệ phương trình Maxwell khi không có dòng điện và điện tích nhưng có dòng

từ và từ tích ngoài sẽ được viết dưới dạng:

0

p m

m

rot H i E rot E i H J divE

divH

ωεωµ

ρµ

So sánh hai hệ phương trình (1.15) và (1.16) ta thấy chúng có dạng giống

nhau và thực chất chỉ khác nhau về vị trí của các vectơ E và H Chúng ta có thể

nhận được một trong hai hệ nếu đã biết được hệ kia bằng cách thực hiện phép đổi lẫn sau:

t

n e

t s

E H

27

𝑛𝑛� - vectơ pháp tuyến ngoài của bề mặt vật dẫn

Theo nguyên lý đổi lẫn (1.17) ta thấy trường trên bề mặt của vật dẫn từ lý tưởng phải thõa mãn các điều kiện bờ sau:

00

t

n m

t s

H E

m

e

m

rot H i E J rot E i H J divE

divH

ωεωµρερµ

Để giải hệ (1.15), người ta đưa ra một vectơ trung gian là vectơ thế điện 𝐴𝐴��� 𝑒𝑒

Theo (4) trong hệ (1.15) ta có thể viết

r – khoảng cách từ điểm xác định 𝐴𝐴����hoặc 𝐴𝐴𝑒𝑒 ���� đến điểm nguồn, nghĩa là đến 𝑚𝑚

điểm có dòng điện hoặc dòng từ trong thể tích V;

𝑒𝑒−𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖- số hạng biểu thị sự chậm pha của vectơ thế 𝐴𝐴��� và 𝐴𝐴𝑒𝑒 ���� ở khoảng cách 𝑚𝑚

r đối với nguồn Trong đó kr là góc chậm pha, k gọi là hệ số sóng

Đối với chân không:

c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không;

𝜆𝜆0 – bước sóng trong chân không

Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độ bức

xạ theo một hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường đồ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho 4ᴨ Nếu hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn”

Đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính bằng với tỉ

lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước Uur và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng U0:

Ở đó, D là hướng tính (không có thứ nguyên)

D0là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

30

Umaxlà cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc khối)

U0là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc khối)

Pradlà tổng công suất bức xạ (W)

Với nguồn đẳng hướng, hiển nhiên từ (1.31) hay (1.32) ta nhận thấy rằng hướng tính bằng 1 khi U, Umax và U0 bằng nhau

Với anten có các thành phần phân cực trực giao, chúng ta định nghĩa hệ số định hướng riêng (partial directivity), theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước, là tỉ lệ của cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Với định nghĩa này, thì theo một hướng cho trước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng riêng” Trong hệ tọa độ cầu, hướng tính cực đại Duur0với các thành phần tọa độ θ và ϕ của anten

( ) ( )rad4 rad

U D

θ θ

( ) ( )rad4 rad

U D

φ φ

là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc ϕ

( )P rad θ là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào θ

( )P rad φ là công suất bức xạ theo tất cả các hướng chỉ phụ thuộc vào ϕ

31

1.2.5.2 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính toán hiệu suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích 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 nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)

Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chia cho 4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằng công suất đặt vào anten) Do đó, ta có:

( , )4

in

U G

P

θ φπ

=

urur

Sử dụng công thức (1.34), ta có:

( , ) cd ( , )

Gur θ φ =e Dur θ φ (1.39) Giá trị cực đại của hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng cực đại bởi:

G =G( , )θ φ =e D cd ( , )θ φ (1.40)

32

Cũng như đối với hệ số định hướng, ta định nghĩa hệ số tăng ích riêng (partial gain) của anten theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước như sau: “phần cường độ bức xạ tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức

xạ khi anten bức xạ đẳng hướng” Với định nghĩa này, thì theo một hướng cho trước

“tổng hệ số tăng ích là tổng của các hệ số tăng ích riêng” Trong hệ tọa độ cầu, hệ số tăng ích cực đại G0 theo các thành phần trực giao θ và ϕ của anten có thể được viết như sau, theo dạng tương tự như hệ số định hướng cực đại trong (1.36) và (1.37):

0

Gur =Gurθ +Gurφ (1.41) Trong khi các hệ số tăng ích riêng 𝐺𝐺𝜃𝜃 và 𝐺𝐺𝜙𝜙 được biểu diễn bởi:

4

in

U G

4

in

U G

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà trong

đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định” Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng