KỸ THUẬT ANTEN TRUYỀN SÓNG

Hình minh họa một số antenAnten dipole nửa bước sóng λ/2=5mm f=29,9GHz Cường độ điện trường đo tại mặt cầu cách anten 100m...  Suy ra : các vector E, H cùng pha, vuông góc với nhau và v

KỸ THUẬT ANTEN

TRUYỀN SÓNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN – LÊ TIẾN THƯỜNG, TRẦN VĂN SƯ

2 LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN – PHAN ANH

3 ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN – CONSTANTINE A

BALANIS

Phần 1 Anten

• Chương 1 Giới Thiệu Về Anten

• Chương 2 Các Đặc Tính Của Anten

• Chương 3 Lý Thuyết Anten

• Chương 4 Hệ Thống Bức Xạ

• Chương 5 Các Loại Anten

Phần 2 Truyền Sóng

• Chương 6 Truyền Sóng Trên Đường Dây dẫn

• Chương 7 Truyền Sóng Qua Ống dẫn Sóng

• Chương 8 Truyền Sóng Vô Tuyến

Phần 1 Anten Chương 1 Giới Thiệu Về Anten

I GIỚI THIỆU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ANTEN

 Định nghĩa Anten:

Anten là thiết bị dùng để bức xạ và (hoặc) thu nhận năng lượng điện từ Anten là thiết bị dùng để truyền năng luợng điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần phương tiện truyền dẫn tập trung.

 Lịch sử phát triển của anten:

 1886 Heinrich Hertz (Đức) đã kiểm tra sự tồn tại của sóng điện từ Ông đã phát triển các dipole đơn giản, các anten vòng và các anten có thanh phản

 1916 lần đầu tiên tiếng nói được truyền đi bằng vô tuyến (điều biên).

 1920 các hệ thống có thể đạt được đến tần số 1MHz, do đó kích thước

anten được giảm nhỏ.

 1930 các nguồn phát dao động có thể đạt đến tần số hàng GHz (Klistron, magnetron).

 1934 hệ thống vô tuyến thương mại đầu tiên giữa Pháp và Anh được thiết lập (1,8GHz).

 1940-1945 nhằm phục vụ thế chiến thứ 2 nhiều phát minh trong việc phát triển Rada, các anten phản xạ, các anten thấu kính.

 1945- nay: kỷ nguyên của anten hiện đại, với nhiều công nghệ và kỹ thuật mới đáp ứng cho Mạng lưới thông tin vô tuyến có tính toàn cầu và tốc độ cao, băng thông rộng : (GPS, Wireless, GSM, CDMA, UWB, WiMax, MIMO…).

II CÁC LOẠI ANTEN

• Anten dây (thanh):

Dipole Anten vòng : tròn, vuông

Anten Helix

• Anten khe

Anten dạng loa kèn hình chóp

Anten dạng loa kèn hình nón (cone)

Ống dẫn sóng với đầu cuối hở

• Anten vi dải (patch - microstrip antennas):

Anten vi dải vuông, kích thích bằng đường truyền vi dải

Anten vi dải tròn, kích thích bằng cáp đồng trục

• Anten thấu kính

Hệ số khúc xạ n>1

Hệ số khúc xạ n<1 lồi – phẳng lồi – lồi lồi – lõm

Lõm – phẳng Lõm – lõm Lõm – lồi

• Hệ thống bức xạ (array antenna)

Anten Yagi Mảng các khe bức xạ

Mảng anten vi dải Mảng các khe trên ống dẫn sóng

Hình minh họa một số anten

Anten dipole nửa bước

sóng (λ/2=5mm)

f=29,9GHz

Cường độ điện trường đo tại mặt cầu cách anten 100m

Anten Helix

D=4mm, f=1GHz

Cường độ điện trường đo tại mặt cầu cách anten 100m

III MỘT SỐ HỆ THỨC GIẢI TÍCH VETOR

3 3 2

2 1

1 i A i A i A

,

sin

i d r

dr dS

i d r

d r

(

).

sin )(

(

).

sin )(

(

)(

( dr r d  r  d 

dV 

• Một số hệ thức vector

Tích vô hướng 2 vector: A  B   A1 B1  A2 B2  A3 B3

Tích vector:

3 2

1

3 2

1

3 2

1

B B

B

A A

A

i i

i B A

2 2 2

1 1 1

1

1

1

u

f h

i u

f h

i u

f h

f f

1 3 2 1 3

2 1

A h

h u

A h

h u

A h

h u h

h h

A A

2 1

1

3 2

1

3 3 2

2 1

1

3 2 1

1

A h A

h A

h

u u

u

i h i

h i

h

h h h

A A

rot A

IV.BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

• Từ những vùng có điện tích hay dòng điện biến thiên có thể bức xạ sóng điện từ lan truyền trong không gian Các vùng có điện tích hay dòng điện biến thiên đó gọi là nguồn bức xạ

• Chúng ta chỉ xét trường điện từ biến thiên điều hoà với tần số ω Các đại lượng của trường được biểu diễn bằng các biên độ phức

• Thông thường, để xác định trường bức xạ, chúng ta phải giải phương trình sóng để tìm thế vector A Các vector điện trường và từ trường được suy ra

V’ '

1 ( ').

4

jkR V

', 1

• Bức xạ điện từ của nguyên tố anten thẳng

A  r r 





.

Công suất bức xạ:

Một số nhận xét:

1) Từ biểu thức: với P t P r t ir

.)()

Như vậy ở miền xa năng lượng điện từ luôn luôn

truyền từ nguồn ra không gian chung quanh

theo hướng vector i r

4

.



Suy ra : các vector E, H cùng pha, vuông

góc với nhau và vuông góc với

phương truyền i r

3) Biên độ của E, H tỉ lệ nghịch với khoảng cách r Còn mật độ công suất bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r

Suy ra Các mặt đẳng pha E, H là các mặt cầu có bán kính r=const

5) Từ biểu thức:

2 2

3

.

cos(

2

sin )

4

.



Các nhận xét 1, 2, 3, 4 được rút ra đối với nguyên tố anten thẳng , nhưng có thể chứng minh rằng chúng cũng đúng với nguồn bức xạ phân bố bất kỳ.

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN

2 HIỆU SUẤT CỦA ANTEN

P e

1 2

1 2

3 TRƯỜNG ĐIỆN TỪ BỨC XẠ TỪ ANTEN

.

j k re

Cường độ trường điện tỉ lệ nghịch với r (cường độ trường càng giảm khi càng xa anten)

Khi điểm quan sát đủ xa anten, trường bức xạ từ anten có thể

được xem là sóng phẳng Khi đó trường từ H có thể được tính:

.

j k re

4 CÔNG SUẤT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ BỨC XẠ TỪ ANTEN

Vector Poynting được định nghĩa:

Phần thực của vector Poynting đặc trưng cho dòng công suất của trường

điện từ Nó được gọi là vector mật độ công suất:

2 2

Cường độ bức xạ được định nghĩa:Cường độ

bức xạ U của anten theo một hướng cho trước là

công suất bức xạ trên một đơn vị góc khối theo

Cường độ bức xạ không phụ thuộc vào r mà chỉ phụ thuộc  ,

Công suất bức xạ từ anten:

Chọn S là mặt cầu bán kính r rất lớn bao trùm toàn bộ anten

ˆ ( ) .

5 SỰ PHÂN CỰC

Khi quan sát trường bức xạ ở rất xa anten Tại vị trí quan sát có thể xem như trường bức xạ của anten là sóng phẳng: vector trường điện E và trường từ H vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng Tuy nhiên theo thời gian vector trường có thể có phương cố định hoặc quay khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng

 Nếu vector trường có phương cố

định : phân cực tuyến tính

 Nếu vector trường vẽ thành 1

đường tròn : phân cực tròn

 Nếu vector trường vẽ thành 1 ellip:

phân cực ellip

Chiều quay có thể là cùng chiều

kim đồng hồ (right hand

polarization) hoặc ngược chiều kim

đồng hồ (left hand polarization)

Ví dụ: vector trường điện của anten ở vùng xa có biểu thức:

Xác định sự phân cực của trường anten dọc theo: a) +x b)-x c)+y d)-y

a) Dọc theo trục +x: , 0, ; ˆ ˆ , ˆ ˆ

j k xe

ˆ ˆ

 Sóng phân cực tròn tay trái (quay ngược chiều

kim đồng hồ)

Trường bức xạ từ anten có các kiểu phân cực khác nhau tùy theo hướng.

Người ta thể hiện sự đặc trưng phân cực của anten bằng một vector phân cực:

6 ĐỒ THỊ BỨC XẠ

 Đồ thị về cường độ trường E hoặc H

 Đồ thị về công suất, mật độ công suất trường bức xạ

 Đồ thị cường độ bức xạ U

 Đồ thị về độ định hướng D

 Đồ thị ở dạng 3 D

 Đồ thị ở dạng 2D: Hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độ decard

Thường các đồ thị được vẽ theo hàm đã chuẩn hoá:

max

( , ) ( , )

n

F F

n

U U

U

 

  

7 ĐỘ RỘNG NỬA CÔNG SUẤT, ĐỘ RỘNG GIỮA CÁC GIÁ TRỊ KHÔNG ĐẦU TIÊNÏ (-)

HPBW

HP left

8 GÓC KHỐI CỦA ANTEN (-)

Góc khối của anten là một góc khối theo chùm

chính của anten đang khảo sát Công suất chảy

qua góc khối đó bằng với toàn bộ công suất bức

xạ của anten với giả thuyết là cường độ bức xạ

phân bố trong góc khối phân bố đều và có độ lớn

bằng cường độ bức xạ cực đại của anten đang

khảo sát

Xét 2 anten: anten chúng ta đang khảo sát và

một anten giả thuyết Anten giả thuyết có cường

độ bức xạ phân bố đều và bằng cường độ bức

xạcực đại của anten đang khảo sát

( , ).

R

S

Tổng công suất bức xạ từ anten đang khảo sát:

Công suất bức xạ qua góc khối của anten giả thuyết:

9 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG, HỆ SỐ ĐỊNH HƯỚNG

Xét 2 anten: anten chúng ta đang khảo sát và một anten giả thuyết Anten giả thuyết (đẳng hướng) có cường độ bức xạ phân bố đều và có cùng công suất bức xạ với anten đang khảo sát

Độ định hướng D là tỉ số giữa cường độ bức xạ của anten theo hướng đó và cường độ bức xạ của anten đẳng hướng theo hướng tương ứng và có cùng công suất bức xạ

Vậy cường độ bức xạ của anten đẳng hướng này bằng cường độ bức xạ trung bình của anten đang khảo sát

1

( , ).

R a

a

U D

10 ĐỘ LỢI CỦA ANTEN

Trong trường hợp hiệu suất e của anten là 100% thì độ lợi của anten theo hướng chính là độ định hướng theo hướng tương ứng

Trường hợp tổng quát độ lợi của anten:

Khi có sự phối hợp trở kháng giữa

anten và tải:





Diện tích hiệu dụng của anten thu

Khi biết diện tích hiệu dụng của anten thì

có thể tính được công suất khả dụng của

anten thu đưa đến tải:

Dieän tích hieäu duïng cuûa anten dipole Hertz:

C

inc R

V P

ˆ , ˆinc

Diện tích hiệu dụng của anten

thu theo hướng với

phân cực của sóng tới là   r, r 

ˆt

p

Mật độ công suất bức xạ từ anten phát tại vị trí anten thu

Mật độ công suất bức xạ từ anten phát tại vị trí anten thu:

2 2

       

2 2

       

2 2

  Hệ số mất mát không gian

Công thức tính công suất nhận được ở tải phía thu tính theo dBm:

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT ANTEN

1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ QUAN HỆ NGUỒN - TRƯỜNG

- Thế vector quan hệ với trường: H r ( )   A r ( )

- Qua các biến đổi suy ra phương trình sóng cho thế vector A:

1 ( ').

jk r r V

' 1,

1 ( ').

jk r r V

' '

1 ( ').

jk r r V

r r

'

R   r r

ˆ '.

2 DIPOLE HERTZ (nguyeân toá anten thaúng)



'

dl l

* Các đặc trưng của truờng bức xạ từ dipole Hertz:

R R

R

U D

3 ANTEN DIPOLE NGẮN

Giả sử anten có chiều dài rất nhỏ so với bước sóng và có phân bố dòng

dạng tam giác: L 

( ) 48

-> Để tăng điện trở bức xạ cần phải thay đổi phân bố dòng điện trên anten: dùng các tải kháng gắn thêm vào anten.

 

2

2

24

4 ANTEN DIPOLE NGẮN CÓ TẢI KHÁNG

0

I I

5 ANTEN DIPOLE CÓ CHIỀU DÀI HỮU HẠN (so sánh được với bước sóng)

* Sự phân bố dòng trên anten

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

/ 2

ˆ '.

jk r r L

1 ( ').

jk r r V

0 / 2

ˆ

L jkr

jk r r L

r r

'

R   r r

ˆ '.

r  r r L

z

M

0

I r

Cường độ bức xạ:

( , ).

ln( ) ( ) 0.5sin( ) (2 ) 2 ( ) 4

Điện trở bức xạ:



2 0

2

ln( ) ( ) 0.5sin( ) (2 ) 2 ( ) 2

0.5cos( ) ln( / 2) (2 ) 2 ( )

R R

P R

DIPOLE NỬA BƯỚC SÓNG:

cos cos

2 ˆ

( )

ikr o

( )

ikr o

73

R R

P R

I

Thành phần điện kháng: 42.5   

Trở kháng: ZA  73  j 42.5   

6 ANTEN KHUNG TRÒN NHỎ

0

I

a x

Trường ở vùng xa:

 

2 2

7 ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT PHẲNG ĐẤT

z

H

x I

z

H

x I

Trường sinh ra do dipole bị phản xạ tại bề mặt của mặt phẳûng đất

do đó trường không xuất hiện tại miền z<0.

Theo lý thuyết ảnh gương, trường bức xạ từ nguồn cơ bản đặt trên

một mặt dẫn điện lý tưởng thì giống như trường được bức xạ từ 2

nguồn (nguồn cơ bản và nguồn ảnh của nó).

0

1 1 1

ˆ sin 4

1 1

Giả sử trường sinh ra từ 2 anten

giống trường ở vùng xa:

Xét trường sinh ra từ 2 anten: primary dipole và image diople:

Như vậy tại vị trí bề mặt mặt phẳng

dẫn điện thì thành phần tiếp tuyến

của trường điện bị triệt tiêu, tương

tự trường được sinh ra từ anten đặt

trên một mặt dẫn điện lý tưởng.

z

H

x I

Image Dipole

0

1 1 1

ˆ sin 4

2 2 2

ˆ sin 4

Image Dipole

1 1 1

ˆ sin 4

2 2 2

ˆ sin 4

1 1

H

x I

~~ ++

L

L

2VI

Trường bức xạ từ monopole và dipole là

giống nhau ở một nửa mặt phẳng z>0.

Tuy nhiên tổng công suất bức xạ từ dipole

thì gấp đôi monopole Suy ra:

4 ( , ) ( , )

monopole monopole

monopole R

U D

2

dipole

dipole dipole

R

U

D P

- Không phải hệ thống anten.

- Mục đích:

+ Cải thiện đồ thị bức xạ: tăng độ định hướng

Anten dipole nửa bước sóng:

Ghép 4 Anten dipole nửa bước sóng Port 1 : pha 90,

port 2 : pha 0,

port 3: pha -90,

port 4 : pha 0.

+ Điều khiển đồ thị định hướng bằng cách thay đổi biên độ và

pha kích thích từng anten riêng lẻ (anten thông minh)

Anten nhiều búp sóng xác định

theo các hướng khác nhau Điều khiển hướng búp sóng chính của anten hướng theo đối

tượng di động.

Array antenna

A 6dBi Vertical PolarisedOmnidirectionalAntenna Omnidirectional Antenna

http://www.wlan.org.uk/antenna-page.html

Array antenna cho bức xạ định hướng

VHF/UHF arrays

WLAN 2.4 GHz arrays

Array antenna cho bức xạ định hướng (2)

1 x 2 W shaped patch array for base cellular station

1 x 4 E shaped patch array for base cellular stationCellular base station antennas

Dạng array antenna hỗn hợp

NTSC/DTV VHF 2-Dipole Antenna

Model No HG-2VD-66 HG-2VD-88 HG-2VD-222

Frequency Range(Option) 54~72MHz 76~88MHz 174~220MHz Input Impedance(Ω) 50~75 50

Gain(1Panel/dB) (Stack)

8(10.14dBi) ( See Page ) Power Handling

Capacity(1~16Panel) 500W~50kWPolarization Hor or Ver Beam Width at 6dB Point 90°± 5°

Input Connector EIA ø 7/8"~ø1-5/8" N-Type~EIA ø1-5/8"

Wind Survival(m/sec) 60 Total Weight(Kg) 200~600 200~310 50~100

http://www.highgain.co.kr/products.htm

Array antennas và MIMO antennas

• Mỗi anten là 1 phần tử

riêng lẻ, cách ly với nhau

càng nhiều càng tốt.

• Tín hiệu của mỗi anten

được thu/phát riêng biệt

Máy thu/phát có nhiều bộ

thu phát.

• Các anten tạo thành 1 hệ thống thống nhất, có

quan hệ chặt chẽ.

• Anten chỉ có 1 ngõ vào/ra

để nối vào máy phát/thu.

Xét 2 dipole giống nhau, chiều dài

l, đặt cách nhau một khoảng d.

Dòng điện kích thích 2 anten lệch

nhau một góc: β

Trường tổng hợp tại M:

2 HỆ THỐNG BỨC XẠ GỒM N PHẦN TỬ

Xét N phần tử anten giống nhau, đặt

trên một trục thẳng cách nhau một

khoảng d Dòng kích thích các phần tử

có biên độ giống nhau, các phần tử liên

tiếp nhau lệch pha nhau một góc β

Hệ số sắp xếp trong hệ thống này:

( cos ) 2.( cos ) ( 1).( cos )

AF = + e θ β+ + e θ β+ + + e − θ β+

.( 1).( cos ) 1

N

j n k d n

Khi dịch chuyển điểm gốc đến giữa dãy:

sin

2 1 sin

2

N AF

ψ ψ

.

1 sin

Cực đại của hệ số sắp xếp xảy ra khi:

m d

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

n

N AF

N

ψ ψ

Nhận xét:

• Cực đại xuất hiện tại ψ = 0

• Hàm AF có chu kỳ tuần hoàn là 2 π ( 3600)

• Có N-1 điểm null cách đều nhau một khoảng cách: 2 / π N ( 360 /0 N )

• Có N-2 búp sóng con trong khoảng 0 ≤ ≤ ψ 2 π

• Khi N tăng, biên độ các búp sóng con tiệm cận đến -13dB

™ Hệ thống Broadside

kd

Cực đại của AF xảy ra khi:

Búp sóng chính vuông góc với trục của hệ thống (trục z)

Để chiều cực đại theo hướng

⇒ =

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Nhận xét:

• Khi d không đổi, khi tăng N: độ rộng búp sóng chính giảm và số búp sóng phụ tăng

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Nhận xét:

• Khi N không đổi, khi tăng d: độ rộng búp sóng chính giảm và số búp sóng phụ tăng

0.2 0.4 0.6 0.8 1

™ Hệ thống EndFire

Búp sóng chính dọc theo trục của hệ thống (trục z)

Để chiều cực đại theo hướng θ = 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

kd

λπ

=

0.2 0.4 0.6 0.8 1

kd

λπ

=

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

=

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Điều kiện để mức bức xạ

phụ nhỏ hơn mức bức xạ

0.2 0.4 0.6 0.8

Đối với hệ thống Hansen – Woodyard:

- Độ rộng búp sóng chính giảm => tăng độ định hướng

- Tuy nhiên biên độ búp sóng chính cũng giảm => biên độ búp sóng phụ cũng khá lớn khi so sánh với búp sóng chính.

0.2 0.4 0.6 0.8 1

120 150

0.2 0.4 0.6 0.8 1

120 150

™ Độ rộng giữa các điểm null đầu tiên, độ rộng nửa công suất và độ

định hướng.

Ta đã biết cực đại xuất hiện tại: ψ = ± 2n π

Và các búp sóng phụ có biên độ lớn là điều không mong muốn

Các điểm null đầu tiên xuất hiện tại điểm: 2

N

π

ψ = ± 2

: N lớn, Broadside (gần broadside)

Đối với hệ thống Endfire: null null

left right

θ = θ 2

BWFN θ

Độ rộng nửa cộng suất của hệ thống Broadside (gần broadside):

3 Hệ thống bức xạ phân bố trên một mặt phẳng

( 1)( sin cos ) 1

( 1)( sin cos ) 1

M

j m kd xm

N

j n kd yn

3 / 2 0

3 / 2 / 3

/ 3

x y

3 / 2 / 3

x y

2 / 2 0

CHƯƠNG 5 MỘT SỐ LOẠI ANTEN

1 Dipole dải rộng

2 Anten Yagi

3 Anten Helic

5 Anten parabol

6 Anten vi dải

1 Dipole dải rộng

™ Băng thông của anten

– Pattern bandwidth

– Impedance bandwidth

™Dipole dải rộng

¾Dipole có đường kính lớn

¾Dipole dạng nón kép

¾Dipole bẻ vòng